科學家揭示豆科植物能與根瘤菌共生固氮機制

2020-12-20 光明網

　　中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤團隊在豆科植物根瘤發育研究中獲重大發現，研究揭示豆科植物皮層細胞能獲得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。12月10日，該研究成果論文在線發表於《自然》。

　　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。空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。當前，農業生產主要通過大量施用氮肥來提高作物產量，人工合成氮肥不僅耗費大量的能源，也造成了嚴重的生態環境汙染。

　　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。其中，「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。

　　「SHR-SCR是植物發育的幹細胞程序關鍵模塊，在植物幹細胞區域和內皮層表達。」王二濤告訴《中國科學報》，這項研究發現在豆科植物進化過程中，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就獲得了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的信號激活，誘導豆科植物苜蓿的皮層分裂，形成根瘤。

　　「近年來，我國氮肥施用泛濫，導致水體富營養化嚴重，這是我國農業生產中亟待解決的重大問題之一。」中國科學院院士、中國科學院分子植物科學卓越創新中心主任韓斌表示，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思路。（記者黃辛）

[ 責編：趙宇豪 ]

相關焦點

  • 中國科學家破解豆科植物與根瘤菌共生固氮秘密
    央廣網上海12月10日消息（記者吳善陽）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。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研究的熱點前沿領域。其中，「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。
  • 為什麼豆科植物能與根瘤菌共生固氮？中國科學家取得重大發現
    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。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。
  • 為什麼豆科植物能與根瘤菌共生固氮?中國科學家取得重大發現,或有...
    早在1888年，德國科學家就發現豆科植物與根瘤菌共生可以將空氣中的氮氣轉化成植物需要的氮素營養。然而，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。今天，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。氮元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。
  • 根瘤菌與豆科植物共生互作界面形成與調控機制方面取得進展
    根瘤菌與豆科植物(Rhizobia-Legume)共生固氮體系是自然界固氮效率最高、固氮量最大的生物固氮系統。有效利用豆科植物與根瘤菌的共生固氮，對農業可持續發展意義重大。根瘤菌與豆科植物的共生互作產生了一個新的植物器官——根瘤(Nodule)。根瘤中的共生體(Symbiosome)是共生細胞中一種特殊的細胞器，也是最基本的固氮單元。共生體是由類菌體(Bacteroids)和一層植物起源的共生體膜結構共同組成。
  • 科學家發現豆科植物「結瘤固氮」的奧秘
    早在1888年，德國科學家就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。在豆科植物與根瘤菌「合作共贏」的共生關係中，豆科植物為根瘤菌提供合適的固氮環境及生長必需的碳水化合物；作為回報，根瘤菌則將氮氣轉變成含氮化合物，滿足豆科植物對氮元素的需求。
  • 中科院團隊破解豆科植物「固氮」奧秘,或將減少氮肥汙染
    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。
  • 中科院團隊破解豆科植物「固氮」秘笈,或將減少氮肥汙染
    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。記者注意到，數百年來，針對豆科植物的研究一向進展緩慢。早在17世紀，科學家們就發現豆科植物具有根瘤結構；到了1843年，科學家們又發現豆科植物與其他植物相比一個重要功能是可以固氮，而氮元素又是植物生長的關鍵重要元素；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。但從1888年至今的100多年來，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。
  • 上海生科院在豆科植物-根瘤菌共生固氮研究中取得進展
    該論文報導了DELLA是植物-根瘤菌和植物-菌根共生長中的關鍵基因，填補了植物-微生物共生信號轉導過程中鈣信號解析複合體和轉錄複合體之間的空白。　　王二濤研究組在前期工作的基礎上，進一步以蒺藜苜蓿為研究材料發現赤黴素信號通路中的核心抑制因子DELLA正向調控了豆科植物與根瘤菌的共生過程。
  • 科學家在豆科植物根瘤發育研究中獲進展
    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。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需的碳水化合物；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。
  • 豆科植物難道有自己的「氮加工廠」?上海科學家發現其中奧秘!
    要知道，氮氣的三鍵被打破才能為生物學上所用，且非生物固氮會消耗大量的能源。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。這對「共生體」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。並且，固定的氮素也會釋放到土壤中，被其他植物利用。
  • 分子植物卓越中心等揭示叢枝菌根共生與根瘤共生的協同進化機制
    12月9日，Molecular Plant在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組及合作團隊完成的研究論文Mycorrhizal Symbiosis Modulates the Rhizosphere Microbiota to Promote Rhizobia Legume Symbiosis，該研究通過定量微生物組、微生物共發生網絡及微生物群回接實驗等，揭示叢枝菌根共生與根瘤共生系統在植物根際層面的互作機制
  • 科學網—共生固氮:根瘤菌的「精準扶貧」
    這是根瘤菌進入大豆的根系內並形成根瘤，與大豆共生固氮，供給大豆氮素營養需求，促進其生長和蛋白含量提高。 近日，國家重點基礎研究發展計劃「作物—固氮根瘤菌特異與廣譜共生的分子機理與設計」年度檢查暨大豆根瘤菌田間應用示範諮詢論證會在鄭州召開。與會專家表示，精準選育優良根瘤菌、在氮素相對貧瘠的土壤中使用好根瘤菌菌劑，才能最大限度地發揮出共生固氮效果，實現根瘤菌對大豆氮素需求的「精準扶貧」。
  • 豆科植物的根部為什麼會長小瘤子? 豆科植物的根瘤解密
    這樣大量的氮完全能滿足植物生長的需要，可惜，絕大多數植物無法直接吸收空氣中的氮氣，只能依靠施氮肥才能保證作物的生長和發育之需。但有一類豆科植物卻與眾不同，可以直接利用空氣中的氮。   　　我們很熟悉的黃豆、豌豆、蠶豆、扁豆等，都屬於豆科植物的果實或種子。為什麼豆科植物能夠利用空氣中的氮呢？
  • 豆科植物感知環境硝酸鹽濃度變化機制查明—新聞—科學網
    該研究揭示了苜蓿根瘤維管組織傳遞細胞特異表達的硝酸鹽轉運體NPF7.6，通過感知環境中硝酸鹽濃度變化，介導其吸收與轉運，調控豆血紅蛋白基因表達來控制一氧化氮穩態及固氮酶活性，從而實現對根瘤發育與共生固氮的精細調控。 氮素是植物生長發育所必需的主要元素。氮肥的使用在增加作物產量中發揮至關重要作用。然而，氮肥的超量使用現象日趨嚴峻。
  • 上海科學家解答生物學熱點難題
    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。  中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤團隊今天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SHRSCR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難題。
  • 原來豆科與非豆科植物就此有了不同命運,中國科學家回答了百餘年來...
    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
  • 固氮功能菌概述
    微生物自生或與植物共生，將大氣中的分子態氮氣轉化為農作物可吸收的氨的過程，稱為生物固氮。生物固氮的種類很多。1886年Beijerinck分離到共生固氮的根瘤菌。1901年，M.W.拜耶林克發現並描述了2種固氮菌：一是褐色固氮菌，常生活於中性或鹼性土壤中；二是活潑固氨菌，常生活於水中。後來，各國學者相繼分離出許多不同的菌株。
  • 武漢植物園等在根瘤菌-豆科植物共生階段的重要基因挖掘中獲進展
    根瘤菌是一類廣泛分布於土壤中的革蘭氏陰性細菌，能夠與豆科植物形成高度轉化的共生關係，侵染豆科植物根部，形成根瘤，進而固定空氣中的分子態氮以形成能夠被植物利用的有機氮；根瘤菌從宿主植物中獲取所需的光合產物。研究根瘤菌-豆科植物共生固氮體系及機理對農業可持續發展具有重要意義。
  • 我國科學家Nature揭開生物固氮的世紀謎題,化學氮肥或將被取代
    10日零時在國際頂尖學術期刊《自然》（Nature）在線發表的這一最新發現，將為生物固氮研究領域指明新的方向。這是四年內，該研究團隊再次取得類似重大突破。2017年6月8日，他們在另一國際頂尖學術期刊《科學》（Science）上發表論文，報導了水稻、玉米、小麥等農作物根部共生真菌的代謝秘密，顛覆了人們此前的認知。