氮素是蛋白質與核酸等生命體的基本組成元素，參與植物的生長發育、物質合成與代謝等一系列生物學過程。早在1888年，德國科學家發現豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉化成植物需要的氮素營養。100多年來，「為什麼豆科植物能與根瘤菌共生固氮」的問題一直困擾著該領域的研究者。
解放日報·上觀新聞記者獲悉，2020年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》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，從而回答了百餘年來的這一科學問題。
【氮，可遇而不可求】
空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。氮是可遇而不可求的，固氮反應需要很高的能量輸入。當前，農業生產主要通過大量施用氮肥來提高作物產量，我國7%的耕地使用了世界35%的氮肥，導致水體富營養化嚴重，是我國農業生產中亟待解決的重大問題之一。與此同時，人工合成氮肥不僅耗費大量能源，也造成了嚴重的生態環境汙染。
前人科學研究發現，豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉化成植物需要的氮素營養。有趣的是，能夠與根瘤菌共生固氮的物種只分布於豆目、薔薇目、葫蘆目和殼鬥目中。
100多年來，對豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物學研究的熱點前沿領域。
【為非豆科植物命運的改造奠定了基礎】
經過8年科研攻關，王二濤研究團隊發現，在豆科植物進化過程中，SHR-SCR幹細胞分子模塊賦予了豆科植物皮層細胞分裂能力，形成根瘤。由此，豆科植物與非豆科植物有了不同的命運。
「我一直有一個夢想，也是我們領域所有人的夢想，就是希望能夠把豆科植物與根瘤菌共生固氮的現象，移植到非豆科植物，這樣可以大大減少非豆科農作物對氮肥的依賴。」王二濤說。
王二濤研究員
研究團隊發現，在非豆科植物擬南芥和水稻根中異位過量表達SHR-SCR分子模塊，同樣可以誘導根皮層細胞分裂。「這就像是築巢引鳳，為根瘤菌建造了一座房子讓其搬進去住，後續是否能共生固氮雖然現在還不得而知，但邁出了關鍵的一步。」中科院分子植物卓越中心副主任龔繼明說。
該項工作發現，SHR-SCR分子模塊是植物皮層細胞分裂的充分必要條件。這一發現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。