2022年12月2日，PNAS在线发表了陈三凤教授课题组题目为“Alanine synthesized by alanine dehydrogenase enables ammonium-tolerant nitrogen fixation in Paenibacillus sabinae T27”的研究论文，揭示了通过丙氨酸脱氢酶合成的丙氨酸抑制谷氨酰胺合成酶活性，降低细胞内谷氨酰胺水平，进而调控固氮基因表达的新机制。

绝大多数固氮菌只在低铵（0-2 mM）下固氮，但该论文发现固氮类芽孢杆菌（Paenibacillus sabinae）T27 除在低铵条件下固氮外，在高铵（30-300 mM） 条件下也能固氮；并揭示了高铵固氮是氮代谢和生物固氮协同作用的结果，即：ald1基因编码的丙氨酸脱氢酶（alanine dehydrogenase，ADH1)在高铵条件下催化铵和丙酮酸合成丙氨酸，而丙氨酸抑制谷氨酰胺合成酶（GS）的活性，则谷氨酰胺（Gln）浓度降低。低浓度Gln无法与GS相互作用而形成反馈抑制型FBI-GS，与低铵（0-2 mM）条件类似，转录因子GlnR只与固氮基因上游启动子中的GlnR-binding site Ⅰ 结合而激活固氮基因的表达；但在铵浓度充足（4-30 mM）条件下，FBI-GS促进GlnR与GlnR-binding site Ⅱ 结合而抑制固氮基因表达。研究结果为解决“生物固氮效率受高浓度铵抑制”的难题，提供了新思路和新方法。

图1. Paenibacillus sabinae T27在不同铵浓度（0-400 mM）的固氮酶活性

图2. ald1基因（编码丙氨酸脱氢酶）突变后导致在高铵（100 mM）条件下的固氮酶活性的

丧失（A）和固氮基因（nifH）转录水平大幅度降低（B）。添加丙氨酸（Ala）能恢复ald1突变株的固氮酶活性，

但丙酮酸（pyruvate）和其他氨基酸（Asp、Glu、Gly、Val、Ser）不能恢复固氮酶活性（C）

图3. P. sabinae T27固氮基因在不同铵浓度下的表达调控机制

    我院陈三凤教授为该研究论文的通讯作者，英国JIC研究中心Ray Dixon教授为共同通讯作者，中国农业大学博士后李琴为第一作者。该研究得到了国家重点研发计划(No. 2019YFA0904700)项目的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2215855119