中科院團隊破解豆科植物「固氮」奧秘,或將減少氮肥汙染

2021-01-09 閃電新聞

12月10日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術期刊《自然》上發表論文，研究揭示豆科植物皮層細胞獲得SHR-SCR幹細胞分子模塊，使其有別於非豆科植物。這可能是豆科植物共生結瘤固氮的前提事件，回答了「為什麼豆科植物能結瘤固氮」這一科學問題。

數百年來，針對豆科植物的研究進展緩慢。早在17世紀，科學家們就發現豆科植物具有根瘤結構；1843年，科學家們又發現豆科植物有個重要功能是可以固氮，而氮元素又是植物生長的關鍵元素；1888年，德國科學家發現豆科植物與根瘤菌共生，可以把氮氣轉化成植物需要的氮素營養。但此後100多年，針對「豆科植物與根瘤菌共生為什麼能固氮」的問題，科學界尚無解答。

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境及生長所必須的碳水化合物；作為回報，根瘤菌將氮氣轉變成含氮化合物，滿足豆科植物對氮元素的需求。另外，固定的氮素也會釋放到土壤中，被其他植物利用。有趣的是，能夠與固氮細菌進行共生固氮的物種只分布於豆目、薔薇目、葫蘆目和殼鬥目中，其中以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。

如果弄楚「豆科植物為什麼能固氮」，就有望通過人工作用於其他植物。豆科植物很少需要在農業生產中使用氮肥；但其他作物則需要大量氮肥提高產量。人工合成氮肥不僅耗費大量能源，也造成嚴重的環境汙染。近年來，我國氮肥施用泛濫，導致水體富營養化嚴重，是農業生產亟待解決的重大問題之一。

王二濤研究員在研究豆科植物

王二濤團隊研究發現，在豆科植物進化中，豆科植物幹細胞關鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個幹細胞關鍵轉錄因子SHR在維管束表達後移動到皮層細胞，這樣豆科植物的皮層細胞獲得了SHR-SCR幹細胞分子模塊。該幹細胞分子模塊賦予豆科植物皮層細胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。同時，該幹細胞分子模塊能夠被根瘤菌信號激活，誘導豆科植物苜蓿的皮層分裂，形成根瘤。

值得注意的是，當在豆科植物苜蓿根中過量表達SHR-SCR分子模塊時，可以誘導皮層細胞分裂形成根瘤樣結構。

這種在非豆科植物擬南芥和水稻根中異位過量表達的SHR-SCR分子模塊，同樣可以誘導根皮層細胞分裂，因此SHR-SCR分子模塊是植物皮層細胞分裂的充分必要條件。這表明豆科植物的皮層細胞獲得了SHR-SCR幹細胞程序模塊可能是豆科植物共生結瘤固氮的前提事件。

該項工作發現了控制豆科植物根瘤共生固氮的關鍵分子模塊，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胞命運的改造奠定了基礎，為今後減少作物對氮肥的依賴，實現農業生產的可持續發展提供了新的思路。

責任編輯：姜泓冰

作者：姜泓冰

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