為什麼豆科植物能與根瘤菌共生固氮？百年難題被破解

2020-12-10 科技日報

王筱驕 科技日報記者 王春


氮素作為生命體的基本組成元素，參與著植物的生長發育、物質合成與代謝等一系列生物學過程。一百多年來，「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研究團隊近日在國際頂尖學術期刊《自然》上發表了一項研究，解答了「豆科植物有別於非豆科植物能夠結瘤固氮」這一科學問題。12月10日，該研究成果論文在線發表於《自然》。

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-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。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。

王二濤研究員在觀察植物研究材料 主辦方供圖

王二濤研究團隊經多年研究發現，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。

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。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，因此SHR-SCR分子模塊是植物皮層細胞分裂的充分必要條件，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。

空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。近年來，我國農業生產施用大量氮肥來提高作物產量，不但影響全球氣球變化，也導致水體富營養化嚴重。該項工作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。


豆科植物根瘤發育機制 主辦方供圖

苜蓿根瘤器官 主辦方供圖


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