植物的血红蛋白与固氮

人和动物的红细胞里有血红蛋白，其作用是与氧结合，通过血液循环把氧运送到身体的各个部分，供细胞呼吸。那么植物有没有血红蛋白呢？植物没有类似动物的血液循环系统，如果有血红蛋白，它存在的部位在哪儿？它也起运输氧的作用吗？答案也许令你感到吃惊，是肯定的！

“小小化肥厂”

植物确实有血红蛋白，它也能与氧结合，但它出现的部位比较特殊，既不在根、茎、叶中，也不在花或果实里，而是在豆科植物的固氮根瘤内，所以又叫植物豆血红蛋白。至于它为什么只在豆科植物的根瘤中出现，还是让我们从根瘤的形成说起。

▲豆科植物根瘤

我们都知道，根瘤菌能在豆科植物的根部结瘤，其体内有固氮酶，能固定空气中的氮气。根瘤菌利用植物体内的碳水化合物产生能量，把氮气同化成氨，让植物吸收利用，这个过程叫做共生固氮。如果你在田间拔下一棵大豆或豌豆，观察一下它的根系，就会发现上面长着很多瘤子，这就是根瘤。根瘤虽小，功劳却很大，它把氮转变成氨，为植物提供氮肥，所以有人形象地把根瘤比做“小小化肥厂”。

但是根瘤从形成到开始固氮却是个非常复杂的过程，需要豆科植物和根瘤菌的很多物质共同参与，互相配合。根瘤菌先诱导根毛弯曲变形，然后通过一个叫侵入线的管状结构进入根毛和根皮层细胞，并刺激细胞分裂，形成根瘤。这时根瘤菌在形态上变成各式各样，称做拟菌体。它们被植物细胞“吞下”，外边包着一层植物的细胞质膜。最后拟菌体内的固氮酶开始工作，固定空气中的氮气，把固氮产物氨提供给植物，用于合成蛋白质、核酸，或者参与其他代谢过程。在上述过程中，植物的根瘤细胞非常活跃，合成了一套蛋白质参与根瘤的形成并使固氮作用顺利进行，这一套蛋白质叫结瘤素。结瘤素的功能多种多样：有帮助根瘤菌侵染植物细胞的，有与根瘤结构的形成相关的，有帮助植物吸收固氮产物氨的，有帮助拟菌体从植物上吸取碳水化合物营养的，还有保护拟菌体的固氮酶的，等等，这种具有保护固氮酶功能的蛋白就是豆血红蛋白。

豆血红蛋白

为什么要由豆血红蛋白保护固氮酶呢？这是因为固氮酶合成氨的过程要在厌氧条件下进行，固氮酶一旦接触氧就失去活性，豆血红蛋白便承担了排除氧的任务。它与氧结合，使固氮酶周围环境中氧的浓度大大降低，使固氮作用顺利进行；同时，它还可以把结合的氧供给拟菌体，帮助其呼吸。豆血红蛋白之所以重要，就是因为没有它，固氮反应就不会发生，形成的根瘤就成了无效根瘤。

豆血红蛋白在各种结瘤素中含量最高，占根瘤细胞内可溶性蛋白的30～40%。与人和动物的血红蛋白相同，它也有颜色，因为它也是色素蛋白，由血红素和珠蛋白两部分组成，血红素上二价的铁离子可以结合氧，有趣的是，豆血红蛋白的珠蛋白部分是由豆科植物生产的，而血红素部分则是由根瘤菌（拟菌体）合成的，二者结合在一起，才形成了有功能的蛋白，所以从这个意义上说，豆血红蛋白是真正的共生蛋白。

豆科植物根瘤内的豆血红蛋白的组分不止一种。不同植物，其组分数也不相同。例如，大豆血红蛋白有8个组分，4个主要组分和4个次要组分；一种叫苜蓿的牧草，其豆血红蛋白有5种，2个主要组分和3个次要组分，次要组分是主要组分加工修饰的结果。在普通田菁的根瘤中发现5种豆血红蛋白；有一种叫毛塔田菁的豆科植物，主要生长在热带地区，它不仅根上能长蓿，连茎干上也能长瘤，这种瘤子表面呈绿色，在它的茎瘤中分离到7个豆血红蛋白组分。

▲苜　蓿

虽然不同豆科植物豆血红蛋白的组分不同，但各种植物豆血红蛋白的分子量却基本一致，大约为15000道尔顿，它们的氨基酸组成、蛋白质等电点等生化性质也大致相同。正因为它们有这么多相同的性质，使得它们在免疫学上能发生交叉反应。这种免疫反应的试验方法是，分离并纯化某种植物根瘤的豆血红蛋白，把它作为抗原注射到兔子身上，经过一段时间，兔子的血液中就产生了豆血红蛋白的抗体，这种抗体在体外遇到它本身的抗原（豆血红蛋白），就会发生沉淀反应。有时，一种豆科植物血红蛋白的抗体遇到其他植物的豆血红蛋白时也会形成沉淀，这就是免疫交叉反应。通过研究发现，苜蓿豆血红蛋白的抗体与豌豆血红蛋白有免疫交叉反应，但与大豆血红蛋白没有反应；普通田菁豆血红蛋白的抗体，与大豆和牛豆的血红蛋白都能形成沉淀。

豆血红蛋白基因

从遗传学角度看，蛋白质的合成是由遗传物质——基因编码的。具体地说，豆血红蛋白基因，即豆科植物根瘤细胞的细胞核内一段脱氧核糖核酸链（DNA），先经过一个叫做转录的过程，把遗传信息表达为一段与其DNA链对应的核糖核酸链，称为使信RNA（mRNA），这个核糖核酸链再经过一个翻译过程，就合成了这个基因的蛋白产物——豆血红蛋白。说到这儿，可能有人要问：植物的每个细胞包含的遗传物质是相同的，那么豆血红蛋白基因是不是在所有的细胞里、从种子萌发到开花结实一直都在表达呢？答案当然是否定的。事实是这样，在没有根瘤菌侵染时，在豆科植物的根、茎、叶中都检测不到豆血红蛋白，即使在根瘤菌侵染植物形成根瘤后，在上述部位仍然检测不到，只有在根瘤里，而且在根瘤形成的后期才能找到豆血红蛋白。这说明这个基因的表达在时间上和空间上都受一定的机制调控，属于诱导表达。这样，搞清这个基因如何控制其表达就成了十分有趣的问题。

科学家们从豆血红蛋白的mRNA入手，先分离纯化它，然后经反转录过程，合成与它互补的DNA（cDNA）。用这个cDNA作探针，通过RNA与DNA、或者DNA与DNA杂交的方法，研究豆血红蛋白基因表达的特点，确定基因的拷贝数、结构和调控序列。

结果发现，不同豆科植物豆血红蛋白基因的表达有不同的特点。例如，大豆有4个豆血红蛋白基因，在根瘤的发育过程中，这4个基因的表达并不同步，有先后之分。苜蓿有两组豆血红蛋白基因，与大豆的不同，它们同时开始表达，同时达到最高水平，而且一直维持在稳定状态。

对基因结构的研究表明，所有豆科植物的豆血红蛋白基因的结构都非常相似，它们都含有3个内含子，其插入位置都相近。有趣的是，它们与人和动物的血红蛋白基因的结构也非常接近，具有很大的同源性，这说明这个基因对动物和植物有共同的起源。

科学家们还利用DNA序列分析和基因转化的方法，在豆血红蛋白基因的上游发现了很多对基因表达有调控作用的序列。有的序列对基因表达有增强作用，有的起减弱作用，有的专门控制该基因在根瘤中表达，比较不同植物的豆血红蛋白基因的调控序列，发现它们的同源性也很高。尽管这方面的研究已经很深入，但至今对该基因表达的诱导因子还不清楚。

▲豌　豆

非豆科植物也能结瘤固氮

除了豆科植物，非豆科植物是不是也有血红蛋白、也能长固氮根瘤呢？答案是肯定的。20世纪70年代，有人发现一种榆科植物能结瘤固氮。它的根瘤内也有血红蛋白，一个主要组分和一个次要组分。进一步研究发现，它的基因组里有一个血红蛋白基因，其结构与豆科植物的相似，也有3个内含子，DNA序列与豆科植物的有很大的同源性。这个例子打破了两个概念：一是原来认为根瘤菌只能侵染豆科植物，结瘤固氮，现在看来它也可以侵染非豆科植物；二是血红蛋白不完全限于豆科植物的根瘤内，非豆科植物的根瘤内也有。

如果搞清根瘤菌与豆科植物或非豆科植物相互识别、建立共生关系的机制，就可望通过改造根瘤菌或植物的办法，使非豆科植物也能结瘤固氮的梦想得以实现。这是一个非常诱人也非常艰巨的任务，需要几代科学家的共同努力。