本技术属于生物技术领域，涉及蛋白的新应用。公开了一种NPE1蛋白及编码NPE1蛋白的生物材料在调控代谢酶催化效率中的应用。本申请的大豆的1个新基因NPE1在大豆中的过量表达将会显著增强根瘤中关键代谢酶GmPGK3a、GmPFK3a、GmGS1γ1和GmPGD2a的催化效率，从而增强大豆根瘤的固氮能力，进而提高植株地上部分生物量以及最终产量，发明人的研究将为包括大豆在内的豆科植物的氮高效和分子育种提供基因资源，为高效固氮大豆品种的分子设计提供理论依据，从而促进环境友好型的绿色可持续农业的发展。
背景技术
氮素是植物生长发育必须的大量营养元素，是生物体中蛋白质和核酸等分子的重要组成部分。尽管地球大气中含有78.1％的氮气，但不能被绝大部分植物直接利用，因此农业生产高度依赖工业氮肥。然而，氮肥的生产需要大量的化石燃料，并且过度施用氮肥会造成土壤板结退化和水体污染，影响农业的可持续发展。生物固氮是自然界生物可用氮的最大天然来源，豆科植物与根瘤菌可以相互作用形成一个独特的器官，即共生根瘤。在全球生态系统中，豆科植物与根瘤菌通过共生固氮所固定的氮含量占生物固氮总量的60%-70%，豆科植物与根瘤菌共生固氮既减少了能源消耗，又有助于土壤的改良，是提高豆科作物氮效率的重要途径，而在农业系统中，大豆固氮量占据豆类共生固氮总量的86%以上，每年产氮量达1644万吨，所以提高大豆和根瘤菌共生固氮效率，对绿色可持续农业的发展具有重要意义。
根瘤中的共生固氮是一个高耗能的生物学过程，豆科植物光合作用产生的碳水化合物是共生固氮主要的能量来源。光合产物以蔗糖的形式通过韧皮部运输到成熟根瘤，到达根瘤后的蔗糖会被蔗糖合成酶和碱反转酶分解成己糖再进入糖酵解途径生成磷酸烯醇丙酮酸（phosphoenolpyruvate，PEP）。PEP可以经过磷酸烯醇丙酮酸羧化酶（phosphoenolpyruvate carboxylase，PEPC）和苹果酸脱氢酶（malate dehydrogenase，MDH）催化的两步反应生成苹果酸，苹果酸被运输进类菌体中进行三羧酸循环产生ATP为固氮反应提供能量，之后固氮生成的铵根离子在氨酰输出型豆科植物（amide-exportinglegume）中会被同化为天冬酰胺和谷氨酰胺运送到地上部分，而在大豆为代表的酰脲输出型豆科植物（ureide-exportinglegume）中铵根生成的谷氨酰胺会进入嘌呤从头合成（denovo purine biosynthesis）途径生成肌苷单磷酸（inosine monophosphate，IMP），并最后转化为酰脲再运送到地上部分；此外，PEP也可以在丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）的催化下生成糖酵解的最终产物丙酮酸，然后丙酮酸进入线粒体的三羧酸循环产生ATP为根瘤中氮的同化提供能量。
虽然目前大豆根瘤的碳氮代谢途径已经研究得比较清楚，但是调控这些代谢途径中关键催化酶活性的基因及其调控机制目前仍未得到阐明，如何调控大豆根瘤中关键代谢酶催化效率、以及如何利用这种调控机制来提高大豆共生固氮能力，进而提高大豆对氮元素的利用率是本课题组要解决的首要技术问题；此外，由于这些代谢途径和关键代谢酶在不同物种中高度保守，这种调控机制是否能应用到人类和其它物种，解决代谢相关疾病也是我们要探究的技术问题。
实现思路