科學家揭示豆科植物能與根瘤菌共生固氮機制

本報訊（記者黃辛）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。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-020-3016-z

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