[发明专利]来自真核生物细胞器的电子传递链模块及其应用

说明书

本发明提供了一种来自于真核生物细胞器的电子传递链模块及其在生物固氮中的应用，其中所述的电子传递链(electron transport chain，ETC)模块由来自于产酸克雷伯菌(Klebsiella oxytoca)的NifJ蛋白与来自植物叶绿体或白体铁氧还蛋白(Ferredoxin)组成；由植物型的Ferredoxin‑NADPH氧化还原酶(Ferredoxin‑NADPH reductase，FNR)与来自鱼腥藻(Anabaena)的FdxH或FdxB蛋白组成；或由来自于植物细胞器的FNR与Ferredoxin蛋白组成。

技术领域

本发明涉及来自真核生物细胞器的电子传递链(electron transport chain,ETC)模块，以及该ETC模块在生物固氮中的应用。

发明背景

氮是农业中限制农作物生长及产量的主要营养物之一^[1]。工业氮肥的使用可以解除这种限制，为农作物生长提供充足的氮源。但是工业氮肥的大量使用会导致环境问题，并且使用的氮肥经济成本也比较高，这些问题在发展中国家尤其显著^[2-3]。这些因素使得研究人员将注意力重新放到了通过工程化手段在作物中重构生物固氮酶系统，以实现农作物自己固氮，以解决氮肥使用的问题。生物固氮(Biological Nitrogen Fixation，BNF)，是通过固氮菌中的固氮酶将气态氮转化成氨的过程，这一过程贡献了大气氮循环中60％以上的氮素^[4]。固氮酶由两种可分离的组分(固氮酶还原酶(Fe蛋白)和固氮酶(XFe蛋白，其中X为Mo，V或Fe，取决于活性位点辅因子的金属原子组成))组成的金属酶家族(参见图1)^[5-6]。所有三种固氮酶催化N₂还原的过程可归纳为以下方程：N₂+(6+2n)H⁺+(6+2n)e^-→2NH₃+nH₂(n≥1)^[7-9]。在这个过程中，电子首先转移到Fe蛋白，其继而将电子传递给XFe蛋白，并伴随着每传递一个电子水解两分子的ATP^[10-11]。虽然在所有固氮酶系统中Fe蛋白均是XFe蛋白的特有的电子供体，但是Fe蛋白在固氮菌内的电子供体并不保守^[9]。对Fe蛋白的直接电子供体是还原的黄素氧还蛋白(Flavodoxin)或铁氧还蛋白(Ferredoxin)，这主要取决于固氮生物宿主的生理性能^[13-17]。