Carbon substrate re‐orders relative growth of a bacterium using Mo‐, V‐, or Fe‐nitrogenase for nitrogen fixation
Carbon substrate re‐orders relative growth of a bacterium using Mo‐, V‐, or Fe‐nitrogenase for nitrogen fixation
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碳底物使用 Mo–、V– 或 Fe– 固氮酶重新排列细菌的相对生长
DOI：
10.1111/1462-2920.14955
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发表时间：
2020
影响因子：
5.1
通讯作者：
Zhang, Xinning
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Luxem, Katja E.;Kraepiel, Anne M. L.;Zhang, Lichun;Waldbauer, Jacob R.;Zhang, Xinning
生物固氮是由钼(Mo)、钒(V)和铁(Fe)-纯固氮酶金属酶催化的。对纯化酶的研究发现，与钼固氮酶相比，V-和Fe-固氮酶的“替代”还原N2的速度通常更慢，产生更多的副产物H_2，这导致了一种假设，即它们的使用会导致较慢的生长。在这里，我们表明，在代谢多功能的光异养沼泽红假单胞菌中，碳底物的类型影响基于不同固氮酶亚型的重氮化生长的相对速率。V-固氮酶在醋酸酯上的生长速度与钼固氮酶一样快，但在氧化程度较高的琥珀酸底物上则不然。我们的数据表明，这是由于与醋酸酯相比，琥珀酸酯上V-固氮酶异构体的电子通量不足。尽管基于醋酸盐上的V-固氮酶的生长略快，但野生型菌株只在两个碳底物上使用钼固氮酶。值得注意的是，在这里测量的替代固氮酶的H_2：N_2化学计量比(V-固氮酶约1.5，铁固氮酶~4-7)和钼固氮酶(~1)的差异低于先前的体外估计。这些结果表明，基于V的固氮的代谢成本对生长的影响可能没有之前假设的那么显著，这有助于解释为什么替代固氮酶基因在不同的重氮菌谱系中持续存在，并在环境中广泛分布。
Biological nitrogen fixation is catalyzed by the molybdenum (Mo), vanadium (V) and iron (Fe)‐only nitrogenase metalloenzymes. Studies with purified enzymes have found that the ‘alternative’ V‐ and Fe‐nitrogenases generally reduce N2more slowly and produce more byproduct H2than the Mo‐nitrogenase, leading to an assumption that their usage results in slower growth. Here we show that, in the metabolically versatile photoheterotrophRhodopseudomonas palustris, the type of carbon substrate influences the relative rates of diazotrophic growth based on different nitrogenase isoforms. The V‐nitrogenase supports growth as fast as the Mo‐nitrogenase on acetate but not on the more oxidized substrate succinate. Our data suggest that this is due to insufficient electron flux to the V‐nitrogenase isoform on succinate compared with acetate. Despite slightly faster growth based on the V‐nitrogenase on acetate, the wild‐type strain uses exclusively the Mo‐nitrogenase on both carbon substrates. Notably, the differences in H2:N2stoichiometry by alternative nitrogenases (~1.5 for V‐nitrogenase, ~4–7 for Fe‐nitrogenase) and Mo‐nitrogenase (~1) measured here are lower than priorin vitroestimates. These results indicate that the metabolic costs of V‐based nitrogen fixation could be less significant for growth than previously assumed, helping explain why alternative nitrogenase genes persist in diverse diazotroph lineages and are broadly distributed in the environment.
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