Disrupting hierarchical control of nitrogen fixation enables carbon-dependent regulation of ammonia excretion in soil diazotrophs
Disrupting hierarchical control of nitrogen fixation enables carbon-dependent regulation of ammonia excretion in soil diazotrophs
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破坏固氮的层次控制使得土壤固氮生物中氨排泄的碳依赖性调节成为可能
DOI：
10.1101/2021.03.25.436926
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发表时间：
2021
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Batista M
中科院分区：
文献类型：
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作者：
Batista M
生物固氮的能量需求需要对这一过程进行严格的调控，以应对各种环境约束。为了确保固氮机制仅在适当的生理条件下表达，在变形菌中普遍存在的专用NifL-NifA调节系统在整合氧、碳和氮状态的信号以控制固氮（nif）基因的转录中起着至关重要的作用。对驱动转录控制ofnif基因的复杂分子机制的更深入理解可能为与谷物相关的工程固氮生物提供蓝图。在这项研究中，我们研究了NifA中的一个单一氨基酸取代（NifA-E356 K）的性质，该取代破坏了棕色固氮菌对碳和氮状态的nifR调节层次。NifA-E356 K取代使得固氮酶在过量固定氮的存在下过表达并将氨释放到细胞外。然而，这两种性质都取决于碳源的性质。我们的研究表明，固氮作用与其同化作用的解偶联可能是谷氨酰胺合成酶反馈调节的结果，从而使多余的固定氮排出体外。来自其他变形菌的NifA中的相互取代产生了与A. vinelandiccounterpart相似的特性，表明这种变体蛋白可能有助于该家族不同成员之间的碳源依赖性氨排泄的工程化。
The energetic requirements for biological nitrogen fixation necessitate stringent regulation of this process in response to diverse environmental constraints. To ensure that the nitrogen fixation machinery is expressed only under appropriate physiological conditions, the dedicated NifL-NifA regulatory system, prevalent in Proteobacteria, plays a crucial role in integrating signals of the oxygen, carbon and nitrogen status to control transcription of nitrogen fixation (nif) genes. Greater understanding of the intricate molecular mechanisms driving transcriptional control ofnifgenes may provide a blueprint for engineering diazotrophs that associate with cereals. In this study, we investigated the properties of a single amino acid substitution in NifA, (NifA-E356K) which disrupts the hierarchy ofnifregulation in response to carbon and nitrogen status inAzotobacter vinelandii. The NifA-E356K substitution enabled overexpression of nitrogenase in the presence of excess fixed nitrogen and release of ammonia outside the cell. However, both of these properties were conditional upon the nature of the carbon source. Our studies reveal that the uncoupling of nitrogen fixation from its assimilation is likely to result from feedback regulation of glutamine synthetase, allowing surplus fixed nitrogen to be excreted. Reciprocal substitutions in NifA from other Proteobacteria yielded similar properties to theA.vinelandiicounterpart, suggesting that this variant protein may facilitate engineering of carbon source-dependent ammonia excretion amongst diverse members of this family.
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Francisca Reyes-Ramírez;R. Little;R. Dixon
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Dos Santos, Patricia C.
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