[科普中國]-為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮？中國科學(xué)家取得重大發(fā)現(xiàn)

氮素是蛋白質(zhì)與核酸等生命體的基本組成元素，參與植物的生長發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等一系列生物學(xué)過程?？諝庵械刎S富，但植物不能直接利用。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過大量施用氮肥來提高作物產(chǎn)量，人工合成氮肥不僅耗費(fèi)大量的能源，也造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。

早在1888年，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生可以將氮?dú)廪D(zhuǎn)化成植物需要的氮素營養(yǎng)。在豆科植物-根瘤菌共生中，豆科植物為根瘤菌提供合適的固氮環(huán)境及生長所必須的碳水化合物；作為回報(bào)，根瘤菌將氮?dú)廪D(zhuǎn)變成含氮化合物，滿足豆科植物對氮元素的需求。另外，固定的氮素也會(huì)釋放到土壤中，被其他植物利用。有趣的是，能夠與固氮細(xì)菌進(jìn)行共生固氮的物種只分布于豆目、薔薇目、葫蘆目和殼斗目中，其中以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。

大豆

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根瘤菌（藍(lán)色）侵染的根瘤器官

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一百多年來，對豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。其中，“為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮”的問題一直困擾著該領(lǐng)域的研究者。2020年12月10日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表論文“An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation”，研究揭示豆科植物皮層細(xì)胞獲得SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊，使其有別于非豆科植物。這可能是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件，回答了“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”這一科學(xué)問題。

王二濤研究員在觀察植物研究材料

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SHR-SCR是植物發(fā)育的干細(xì)胞程序關(guān)鍵模塊，在植物干細(xì)胞區(qū)域和內(nèi)皮層表達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)在豆科植物進(jìn)化過程中，豆科植物干細(xì)胞關(guān)鍵基因SCR在皮層細(xì)胞表達(dá)，另一個(gè)干細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在維管束表達(dá)后移動(dòng)到皮層細(xì)胞，這樣豆科植物的皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊。該干細(xì)胞分子模塊賦予豆科植物皮層細(xì)胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。同時(shí)，該干細(xì)胞分子模塊能夠被根瘤菌的信號激活，誘導(dǎo)豆科植物苜蓿的皮層分裂，形成根瘤。

苜蓿根瘤器官

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苜蓿根瘤器官

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當(dāng)在豆科植物苜蓿根中過量表達(dá)SHR-SCR分子模塊時(shí)，可以誘導(dǎo)皮層細(xì)胞分裂形成根瘤樣結(jié)構(gòu)。在非豆科植物擬南芥和水稻根中異位過量表達(dá)SHR-SCR分子模塊同樣可以誘導(dǎo)根皮層細(xì)胞分裂，因此SHR-SCR分子模塊是植物皮層細(xì)胞分裂的充分必要條件，表明豆科植物的皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞程序模塊可能是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件。

豆科植物根瘤發(fā)育機(jī)制

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近年來，我國氮肥施用泛濫，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，這是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)了控制豆科植物根瘤共生固氮的關(guān)鍵分子模塊，不僅加深了人們對共生固氮的理解，也為非豆科植物皮層細(xì)胞命運(yùn)的改造奠定了基礎(chǔ)，為今后減少作物對氮肥的依賴，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-3016-z