学术报告：植物中构建功能性固氮酶系统的研究进展与挑战
作者与机构
本文由中国科学院遗传与发育生物学研究所种子创新国家重点实验室的刘芳（Fang Liu）、赵泽宏（Zehong Zhao）、张有君（Youjun Zhang，通讯作者）与德国马克斯·普朗克分子植物生理研究所的Alisdair R. Fernie合作完成，发表于2025年11月的《Trends in Biotechnology》期刊（Vol. 43, No. 11）。
学术背景
生物固氮（Biological Nitrogen Fixation, BNF）由固氮酶（nitrogenase）催化，能在温和条件下将大气中的氮气（N₂）转化为氨（NH₃），是替代高能耗哈伯-博世工艺（Haber-Bosch process）的潜在方案。然而，目前仅豆科植物通过与根瘤菌（rhizobium）共生实现固氮，非豆科作物依赖化学肥料，导致能源消耗与环境污染。本文探讨了通过合成生物学和人工智能（AI）技术，将固氮酶系统引入非豆科植物的策略、挑战与前景。
主要观点与论据
固氮酶系统的复杂性及其工程化难点
固氮酶由铁蛋白（Fe protein, NifH）和钼铁蛋白（MoFe protein, NifDK）组成，其活性中心包含复杂的金属簇（如P-cluster [Fe₈S₇]和M-cluster [MoFe₇S₉C]）。这些金属簇的组装需要至少10种辅助蛋白（如NifB、NifEN、NifS/U）参与，且固氮酶对氧气极度敏感。近期研究通过分步表达策略，在大肠杆菌（Escherichia coli）中部分重构了功能性钼固氮酶，但真核系统中仍面临蛋白稳定性、金属簇合成及能量供应等挑战。
酵母作为真核模型的探索
酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）因其成熟的遗传工具和低氧线粒体环境，成为固氮酶工程化的理想模型。研究发现，仅含铁的固氮酶（Fe-only nitrogenase, Anf系统）因金属簇组装更简单，在酵母线粒体中部分表达成功。例如，AnfH蛋白可在体外向NifDK传递电子，但完整酶活仍未实现。此外，定向进化（directed evolution）与AI驱动的蛋白质设计被用于优化固氮酶的氧耐受性，例如通过正交复制系统（orthogonal replication, OrthoRep）生成突变库，结合生长表型筛选。
植物中固氮酶的工程化策略
植物光合作用产氧的特性要求固氮酶必须定位于低氧环境（如线粒体或根部）。研究提出两种保护机制：(1) 表达血红蛋白类似物（如豆血红蛋白leghemoglobin）清除氧气；(2) 利用藻酸盐（alginate）限制氧扩散。此外，需解决能量供应问题，例如通过过表达铁氧还蛋白-NADPH氧化还原酶（ferredoxin–NADPH oxidoreductase, FNR）增强电子传递。近期，水稻中已成功转入40 kb的固氮基因簇，但活性尚未验证。
合成生物学与AI的协同作用
计算工具（如AlphaFold3、RFdiffusion）可预测固氮酶结构并设计稳定突变，而机器学习模型（如EvolvePro）能加速突变体筛选。例如，AI预测的氨基酸替换可增强金属簇结合或电子传递效率。结合实验验证，此类方法有望缩短固氮酶优化周期。
研究意义与价值
本文系统梳理了植物固氮酶工程化的科学瓶颈与技术路径，其核心价值在于：
- 科学层面：揭示了固氮酶在真核系统中表达的分子机制，为金属蛋白的异源重构提供范例。
- 应用层面：若实现作物自主固氮，可减少化肥依赖，降低农业碳排放，提升粮食安全。例如，玉米与固氮菌的天然关联已通过育种增强，贡献了29–83%的氮需求。
亮点与创新
1. 跨学科整合：将合成生物学、AI与传统酶工程结合，提出“分步组装”策略。
2. 模型优化：利用酵母线粒体作为低氧测试平台，为植物转化铺路。
3. 前瞻性技术：提出构建人工固氮细胞器（nitroplast）的设想，借鉴海洋藻类Braarudosphaera bigelowii与固氮蓝细菌的共生机制。
未来挑战
文章指出需解决的关键问题包括：(1) 金属簇在植物中的完整组装；(2) 固氮酶活性与植物代谢的平衡；(3) 大片段基因簇的稳定整合。这些突破需依赖基因编辑（如CRISPR）、代谢工程与计算设计的进一步协同。
结论
尽管植物固氮酶工程仍处初级阶段，但近期在微生物和酵母中的成果为真核系统奠定了基础。通过跨学科合作，这一领域有望实现“自施肥作物”的终极目标，重塑可持续农业格局。