植物细胞硝酸盐同化，包括硝酸盐的跨质膜运输，然后经两步还原为氨
　　 硝酸还原酶(nitrate reductase, NR)催化硝酸盐还原为亚硝酸盐。真核生物的NR由于来源不同,其亚基组成的数目和大小也不同,小的有2个亚基,大的可达8个亚基。现在认为硝酸还原酶是一种可溶性的钼黄素蛋白(molybdoflavoprotein),它由黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),细胞色素b557和钼复合体(Mo－Co)组成，分子量200 000～500 000。推测它的结构为同型二聚体(homodimer)(图3-18)。硝酸盐还原所需的供氢体是NADH(NADPH)。NO₃^-还原为NO₂^-的反应如下：

　　图3-18 高等植物硝酸还原酶的模型
　　A)硝酸盐还原酶的结构域结构。一个NR单体有三个主要的结构域，分别与钼辅因子、血红素和FAD相连。FAD连接区从NAD（P）H接受电子；血红素结构域运送电子到MoCo连接区，它传递电子给硝酸盐，hⅠ和hⅡ指铰链1和铰链2，分离功能结构域。(B)硝酸盐还原酶的条带图解。血红素辅基用紫色表示，FAD用蓝色表示，MoCo用黑色表示，2个单体之间的界面用黄色表示
　　 硝酸还原酶是一种诱导酶(induced enzyme)。我国科学家吴相钰、汤佩松(1957)首先发现水稻幼苗若培养在含硝酸盐的溶液中就会诱导幼苗产生硝酸还原酶,如用不含硝酸盐的溶液培养,则无此酶出现。这也是国内外最早的有关高等植物体内存在诱导酶的报道。亚硝酸还原酶(nitrite reductase,NiR)催化亚硝酸盐还原为铵。在正常有氧条件下,由NR催化形成的亚硝酸盐,很少在植物体内积累,因为在植物组织中NiR的存在量大。亚硝酸还原酶分子量为61 000～70 000,它由两个亚基组成,其辅基由西罗血红素(sirohaem)和一个4Fe－4S簇组成。西罗血红素的作用是使6个电子转移到底物亚硝酸上,其反应如式3-10和图3-19所示:

　　图3-19亚硝酸还原的电子传递体系
　　Fdred和Fdox分别是还原态和氧化态的铁氧还蛋白
　　 硝酸盐的还原可在根和叶内进行,通常绿色组织中硝酸盐的还原比非绿色组织中更为活跃。硝酸在叶内和根中的还原过程见图3-20和图3-21。

　　图3-20在叶中的硝酸还原
　　DT.双羧酸运转器； FNR.FdNADP还原酶； MDH:苹果酸脱氢酶；FRS.Fd还原系统

　　图3-21在根中的硝酸还原
　　NT.硝酸运转器
在绿叶中硝酸盐的还原是在细胞质中进行的,当硝酸盐被细胞吸收后,细胞质中的硝酸还原酶就利用NADH供氢体将硝酸还原为亚硝酸,而NADH是叶绿体中生成的苹果酸经双羧酸运转器,运送到细胞质,再由苹果酸脱氢酶催化生成的。NO^-₃还原形成NO^-₂后被运到叶绿体, 叶绿体内存在的NiR利用光合链提供的还原型Fd作电子供体将NO^-₂还原为NH⁺₄。硝酸盐在根中的还原与叶中基本相同,即硝酸盐通过硝酸运转器进入细胞质,被NR还原为NO^-₂,但电子供体NADH来源于糖酵解。形成的NO^-₂再在前质体被NiR还原为NH⁺₄。长期以来对根中存在的NiR的电子供体不清楚，但最近已从许多植物根中发现了类似Fd的非血红素铁蛋白或Fd^-NADP还原酶。
　　硝酸盐在根部及叶内还原所占的比例受多种因素影响,包括硝酸盐供应水平、植物种类、植物年龄等。一般说来,外部供应硝酸盐水平低时,则根中硝酸盐的还原比例大。木本植物根的硝酸还原能力很强。作物中硝酸盐在根内还原能力依次为:燕麦＞玉米＞向日葵＞大麦＞油菜。此外根中硝酸盐的还原比例还随温度和植物年龄的增加而增大。通常白天硝酸还原速度显著较夜间为快,这是因为白天光合作用产生的还原力能促进硝酸盐的还原。

　　图3-22 谷氨酸合成酶循环

　　大豆根瘤菌，许多节结瘤是Rhizobium japinicum感染的结果

　　图 3-23固氮酶催化反应
　　铁氧还蛋白还原铁蛋白,与ATP结合,铁蛋白还原钼铁蛋白,最后还原N₂成为NH₃
　　 生物固氮是由两类微生物来实现的。一类是自生固氮微生物包括细菌和蓝绿藻，另一类是与其它植物(宿主)共生的微生物,例如与豆科植物共生的根瘤菌,与非豆科植物共生的放线菌,以及与水生蕨类红萍(亦称满江红)共生的蓝藻(鱼腥藻)等,其中以根瘤菌最重要。固氮微生物体内含有固氮酶(nitrogenase),它具有还原分子氮为氨的功能。一般认为固氮酶是由钼铁蛋白和铁蛋白构成的复合物。两者都是可溶性蛋白质。氨是生物固氮的最终产物，分子氮被固定为氨的总反应式如下:　　

　　在整个固氮过程中,以铁氧还蛋白为电子供体,去还原铁蛋白,后者进一步与Mg·ATP结合,形成还原型的Mg·ATP铁蛋白,电子接着流到钼铁蛋白,还原型的钼铁蛋白接着还原N₂,最终形成NH₃(图3-23)。固氮酶也可以还原质子(H⁺)而放出氢(H₂)。氢在氢化酶(hydrogenase)作用下,又可还原铁氧还蛋白,这样氮的还原就形成一个电子传递的循环。生物固氮虽然可以利用固氮酶作用得到可利用的氮来满足作物需要。但是从3-14式可见,固氮酶固定1分子N₂s要消耗8个e^-和16个ATP。据计算,高等植物固定1g N₂要消耗有机碳12g。看来,如何减少固氮所需的能量投入量是生物固氮研究中凾待解决的问题。

　　根瘤有机合成中根瘤菌感染过程
　　（A）随植物注射化学诱导剂后，根瘤菌结合刚形成的根毛。（B）随细菌产生影响因子，根毛呈现弯曲生长，根瘤菌在根毛圈内增生扩散。（C）根毛壁的局部降解导致根细胞中高尔基体小泡感染形成感染线。（D）感染线达到细胞终点后，它的膜同根毛细胞膜融合生长。（E）根瘤菌在质外体中释放，渗透穿过胞间层达到质膜的亚表皮细胞，导致激发端开口与第一条感染线相通的新感染线的形成。（F）感染线不断伸长分枝直到目标细胞，在那里囊泡构成的植物膜将释放到细胞质中的细菌细胞包围。