Biological nitrogen fixation (BNF), a key reaction of the nitrogen cycle, is catalyzed by the enzyme nitrogenase. The best studied isoform of this metalloenzyme requires molybdenum (Mo) at its active center to reduce atmospheric dinitrogen (N 2 ) into bioavailable ammonium. The Mo-dependent nitrogenase is found in all diazotrophs and is the only nitrogenase reported in diazotrophs that form N 2 -fixing symbioses with higher plants. In addition to the canonical Mo nitrogenase, two alternative nitrogenases, which use either vanadium (V) or iron (Fe) instead of Mo are known to fix nitrogen. They have been identified in ecologically important groups including free-living bacteria in soils and freshwaters and as symbionts of certain cryptogamic covers. Despite the discovery of these alternative isoforms more than 40 years ago, BNF is still believed to primarily rely on Mo. Here, we review existing studies on alternative nitrogenases in terrestrial settings, spanning inland forests to coastal ecosystems. These studies show frequent Mo limitation of BNF, ubiquitous distribution of alternative nitrogenase genes and significant contributions of alternative nitrogenases to N 2 fixation in ecosystems ranging from the tropics to the subarctic. The effect of temperature on nitrogenase isoform activity and regulation is also discussed. We present recently developed methods for measuring alternative nitrogenase activity in the field and discuss the associated analytical challenges. Finally, we discuss how the enzymatic diversity of nitrogenase forces a re-examination of existing knowledge gaps and our understanding of BNF in nature.

中文翻译：

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陆地生态系统中替代固氮酶的生物固氮：综述

生物固氮 (BNF) 是氮循环的关键反应，由固氮酶催化。这种金属酶的最佳研究同工型需要钼 (Mo) 在其活性中心将大气二氮 (N 2 ) 还原为生物可利用的铵。Mo 依赖性固氮酶存在于所有固氮生物中，并且是在固氮生物中报道的唯一固氮酶，该固氮酶与高等植物形成 N 2 固定共生。除了经典的 Mo 固氮酶之外，已知两种使用钒 (V) 或铁 (Fe) 代替 Mo 的替代固氮酶可以固氮。它们已被鉴定为具有重要生态意义的群体，包括土壤和淡水中的自由生活细菌，以及某些隐花序覆盖物的共生体。尽管 40 多年前就发现了这些替代异构体，BNF 仍然被认为主要依赖于 Mo。在这里，我们回顾了关于陆地环境中替代固氮酶的现有研究，跨越内陆森林到沿海生态系统。这些研究表明，BNF 经常受到 Mo 限制，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶在从热带到亚北极的生态系统中对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。我们回顾了陆地环境中替代固氮酶的现有研究，涵盖内陆森林和沿海生态系统。这些研究表明，BNF 经常受到 Mo 限制，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶在从热带到亚北极的生态系统中对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。我们回顾了陆地环境中替代固氮酶的现有研究，涵盖内陆森林和沿海生态系统。这些研究表明，BNF 经常受到 Mo 限制，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶在从热带到亚北极的生态系统中对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。跨越内陆森林到沿海生态系统。这些研究表明，BNF 经常受到 Mo 限制，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶在从热带到亚北极的生态系统中对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。跨越内陆森林到沿海生态系统。这些研究表明，BNF 经常受到 Mo 限制，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶在从热带到亚北极的生态系统中对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的用于测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。在从热带到亚北极的生态系统中，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。在从热带到亚北极的生态系统中，替代固氮酶基因的普遍分布以及替代固氮酶对 N 2 固定的重要贡献。还讨论了温度对固氮酶同种型活性和调节的影响。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。我们介绍了最近开发的测量现场替代固氮酶活性的方法，并讨论了相关的分析挑战。最后，我们讨论了固氮酶的酶多样性如何迫使重新审视现有的知识差距和我们对自然界中 BNF 的理解。