aBIOTECH | 陈志长团队建立大豆根瘤固氮活性快速可视化检测系统

大豆作为重要的粮油饲兼用作物，其产量和品质与氮素供应密切相关。生物固氮是大豆获取氮素的重要途径，而根瘤中的固氮酶活性直接决定了固氮效率的高低。然而，传统的固氮酶活性检测方法如乙炔还原法和¹⁵N同位素示踪法虽然灵敏准确，但操作繁琐、成本高昂、需要大型仪器设备，难以满足大规模育种筛选和田间快速检测的需求。因此，开发一种快速、灵敏、可视化的固氮酶活性检测系统，对于大豆高固氮种质资源筛选和固氮调控机制研究具有重要意义。

近日，中国科学院南京土壤所陈志长课题组联合福建农林大学相关团队在aBIOTECH 发表了题为“A rapid visual detection system for nitrogen-fixation activity in soybean root nodules”的研究论文。该研究利用LUX报告基因，成功构建了可实时、无损监测大豆根瘤固氮活性的可视化检测系统，为高固氮大豆品种的选育和根瘤固氮调控研究提供了高效便捷的技术工具。

研究中，团队首先比较了GFP、RFP、GUS、LUX四种报告基因在大豆根瘤中的成像效果。结果显示，GFP和RFP受根瘤组织自发荧光的严重干扰，GUS检测需要外加底物且无法实现活体成像，而LUX报告基因无需外源底物、不受自发荧光干扰，在深层组织成像中表现出最佳效果。

为进一步提高LUX信号与固氮酶活性的相关性，研究团队通过转录组分析，比较了高氮处理与低氮处理下根瘤菌基因的表达差异，以及固氮缺陷型大豆突变体vtl1-1与野生型大豆根瘤中根瘤菌基因的表达差异，筛选出55个共下调基因。从中选取15个候选基因启动子，分别构建了驱动LUX表达的转基因根瘤菌株。经过多轮筛选，最终鉴定出启动子pc16350驱动的LUX表达与固氮酶活性呈现高度显著相关（Pearson's R² = 0.6369, P = 2.4653E−10）。

利用该检测系统，研究团队实现了对大豆根瘤固氮酶活性的实时、无损、动态监测——只需通过活体成像系统观察根瘤的LUX发光强度，即可快速判断固氮酶活性的高低。与传统的luxAB系统相比，本研究采用的全长luxCDABE操纵子包含了醛合成酶基因，无需外加醛底物，真正实现了对完整植株根瘤的原位实时成像。

更为重要的是，该研究所用的根瘤菌Sinorhizobium fredii CCBAU45436与多个大豆结瘤菌株（HH103、USDA192、SMH12、USDA193、USDA205等）亲缘关系密切，提示该检测系统有望推广至其他豆科作物—根瘤菌共生体系，为更广泛的生物固氮研究提供技术支持。

福建农林大学副教授周敏和硕士毕业生张丹珣为该论文共同第一作者，中国科学院南京土壤所陈志长研究员、中国农业大学焦健教授以及福建农林大学副教授周敏为共同通讯作者。该研究得到了福建省科技计划项目和人才项目及国家自然科学基金的资助。

引用本文：

Zhou M, Zhang D-X, Liu Z-A, Wang Y, Ou Z-T, Zhong X-B, et al. A rapid visual detection system for nitrogen-fixation activity in soybean root nodules. aBIOTECH 2026:100084.

https://doi.org/10.1016/j.abiote.2026.100084

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