杨建国 研究员
生物固氮与合成生物学研究组
北京大学 现代农学院 研究员，博士生导师
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E-mail：yangjg@pku.edu.cn
固氮酶系统的工程化改造：
1、利用合成生物学手段对固氮酶系统进行工程化改造，实现固氮酶系统从原核生物向真核生物乃至主要农作物的功能转移；
2、利用固氮菌及固氮酶系统的生物多样，筛选设计最简固氮基因簇，实现固氮酶系统向作物根际定植优势菌的转移；
3、理性设计和筛选高功能根瘤菌菌株，提升豆科作物（大豆、苜蓿以及花生等）共生固氮效率；
4、开发具有广泛宿主适用性的真核以及原核生物的多基因协调表达系统。
氮素是作物生长的必需营养元素，也是制约作物产量的关键因子。当前农业生产主要依赖大量施用化学氮肥以满足作物对氮的需求，但氮肥的过度使用已引发严重的环境问题。将固氮酶系统导入作物细胞，实现作物自主固氮，是从根源上破解农业氮肥依赖难题的重要途径。我们秉持合成生物学的研究理念，对固氮酶系统开展了系统的工程化改造，在大幅简化其组成与功能方面取得了系列进展，具体包括：（1）构建了最简化的铁铁固氮酶系统，并解析了其辅因子合成机制（Yang et al., PNAS 2014）；（2）论证了植物细胞器电子传递链可为固氮酶底物还原提供还原力，进而提出通过电子传递链实现光合作用与固氮过程耦联的科学设想（Yang et al., PNAS, 2017）；（3）创制了多聚蛋白型固氮酶系统，实现了固氮酶体系的显著简化（Yang et al., PNAS 2018; Yang et al., PNAS 2023）；（4）解析了固氮酶核心蛋白在真核线粒体中稳定性不足的分子机制，并筛选获得了超稳定型核心酶组分（Xiang et al., PNAS, 2020）；（5）开发了具备广泛宿主适用性的多基因协调表达系统，为固氮酶系统的异源表达提供了重要的工具平台（Liu et al., Nucleic Acids Res, 2025; Chen et al., Nat Commun, 2026）。上述研究成果为固氮酶系统向异源底盘细胞的转移奠定了坚实的理论与技术基础。
Xie ZT, Cai SY, Chen HY, Kong SY, Tang LT, Wang YP, Yang JG. (2025) Genetic analysis of the NifM dependence of the nitrogenase iron proteins. mBio. e02642-25.
Liu YH, Cai SY, Zhang ZY, Xie ZT, Guo CY, Wang YP, Yang JG. (2025) Expanding the σ54-dependent transcription process with orthogonal designs. Nucleic Acids Res., 53: gkaf442.
Yang JG, Xiang N, Liu YH, Guo CY, Li CY, Li H, Cai SY, Dixon R, Wang YP. (2023) Organelle-dependent polyprotein designs enable stoichiometric expression of nitrogen fixation components targeted to mitochondria. PNAS, 120: e2305142120.
Xiang N, Guo CY, Liu JW, Xu H, Dixon R, Yang JG, Wang YP. (2020) Using synthetic biology to overcome barriers to stable expression of nitrogenase in eukaryotic organelles. PNAS, 117: 16537-16545.
蔡舒怡、张子奕、陈昱杰、谢卓婷、段霖、陈昊洋、孔姝媛
