眾所周知，豆科植物有一個與眾不同的特殊技能：能將空氣中的氮氣變成氮素營養。1888年，德國科學家發現了其中的奧秘：豆科植物會在根部皮層「建造」一棟「房子」，不僅供給根瘤菌「居住」，還提供「水電煤」服務。而根瘤菌的回報是化身為固氮工廠，源源不斷地為「房東」提供合成蛋白質所需的氮元素營養。
然而，為什麼只有豆科植物會「造房子」租給根瘤菌，兩者究竟籤訂了一份怎樣的「租房合同」？這一看似簡單的問題卻一直困擾著科學家們。中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究團隊最近給出了一個極為重要的答案：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。相關論文於12月10日在國際頂尖學術期刊《自然》上發表。
要深究「為什麼豆科植物能結瘤固氮」這樣一個常識中的科學問題，首先需要一個全新的科研思路。「我們做了一個大但假設，認為結瘤固氮是因為豆科植物根部皮層細胞命運和非豆科植物不同。」王二濤說，在此基礎上，科研團隊鑑定了超過50個控制細胞命運轉化的轉錄因子，最終將目光鎖定在植物發育的幹細胞程序關鍵模塊——SHR-SCR基因上。
可以把SCR基因和SHR基因看作是豆科植物為根瘤菌造房子的「混凝土」和「鋼筋」。首先，要在「工地」上合成「混凝土」。SCR基因會在豆科植物的皮層細胞表達，而在其他植物裡卻只會在內皮層表達。其次，要把「鋼筋」運動到「工地」上。SHR基因在豆科植物維管束表達蛋白，這些蛋白會移動到皮層細胞。「鋼筋」「混凝土」都到位之後，豆科植物才開始「建房」：SHR-SCR幹細胞分子模塊賦予皮層細胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。
當研究人員在豆科植物苜蓿根中過量表達SHR-SCR分子模塊時，成功誘導皮層細胞分裂形成根瘤樣結構。這驗證了SHR-SCR幹細胞分子模塊的關鍵作用。
那麼，究竟是豆科植物的漂亮「房子」讓根瘤菌心動不已，還是根瘤菌的出現讓豆科植物主動「建房」？王二濤認為，兩種情況可能同時存在，並相互促進。
找到豆科植物結瘤固氮獨特功能的關鍵分子模塊，更為重要的意義在於向非豆科植物固氮的道路上邁出了一大步。
植物的生長離不開氮元素。氮肥的使用讓農作物產量大大增加，但也帶來了水體富營養化汙染和加劇全球氣候變暖等負面影響。而通過工業方法將氮氣合成氨鹽，需要耗費大量能量。與此相比，豆科植物與根瘤菌的生物固氮能力顯得尤為生態和環保。可惜的是，在植物界，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。
「我們現在知道了豆科植物是如何給根瘤菌建造房子的。」王二濤說。科研團隊嘗試了在非豆科植物裡也用「混凝土」和「鋼筋」造「房子」。他們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，同樣誘導根皮層細胞分裂。「但我們僅僅讓非豆科植物造了『房子』，但還沒有看到根瘤菌『入住』的痕跡。」王二濤表示，除了「房子」之外，還有哪些因素吸引根瘤菌，還需要更多的科學研究。