12月10日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表論文，研究揭示豆科植物皮層細(xì)胞獲得SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊，使其有別于非豆科植物。這可能是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件，回答了“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”這一科學(xué)問題。

　　數(shù)百年來，針對豆科植物的研究進(jìn)展緩慢。早在17世紀(jì)，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)豆科植物具有根瘤結(jié)構(gòu)；1843年，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)豆科植物有個重要功能是可以固氮，而氮元素又是植物生長的關(guān)鍵元素；1888年，德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生，可以把氮氣轉(zhuǎn)化成植物需要的氮素營養(yǎng)。但此后100多年，針對“豆科植物與根瘤菌共生為什么能固氮”的問題，科學(xué)界尚無解答。

　　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(huán)境及生長所必須的碳水化合物；作為回報，根瘤菌將氮氣轉(zhuǎn)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(xì)菌進(jìn)行共生固氮的物種只分布于豆目、薔薇目、葫蘆目和殼斗目中，其中以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。

　　如果弄楚“豆科植物為什么能固氮”，就有望通過人工作用于其他植物。豆科植物很少需要在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用氮肥；但其他作物則需要大量氮肥提高產(chǎn)量。人工合成氮肥不僅耗費大量能源，也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。近年來，我國氮肥施用泛濫，導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)亟待解決的重大問題之一。

　　王二濤團(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，在豆科植物進(jìn)化中，豆科植物干細(xì)胞關(guān)鍵基因SCR在皮層細(xì)胞表達(dá)，另一個干細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在維管束表達(dá)后移動到皮層細(xì)胞，這樣豆科植物的皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊。該干細(xì)胞分子模塊賦予豆科植物皮層細(xì)胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。同時，該干細(xì)胞分子模塊能夠被根瘤菌信號激活，誘導(dǎo)豆科植物苜蓿的皮層分裂，形成根瘤。

　　值得注意的是，當(dāng)在豆科植物苜蓿根中過量表達(dá)SHR-SCR分子模塊時，可以誘導(dǎo)皮層細(xì)胞分裂形成根瘤樣結(jié)構(gòu)。

　　這種在非豆科植物擬南芥和水稻根中異位過量表達(dá)的SHR-SCR分子模塊，同樣可以誘導(dǎo)根皮層細(xì)胞分裂，因此SHR-SCR分子模塊是植物皮層細(xì)胞分裂的充分必要條件。這表明豆科植物的皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞程序模塊可能是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件。

　　該項工作發(fā)現(xiàn)了控制豆科植物根瘤共生固氮的關(guān)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(xì)胞命運的改造奠定了基礎(chǔ)，為今后減少作物對氮肥的依賴，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

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