眾所周知，豆科植物有一個(gè)與眾不同的特殊技能：能將空氣中的氮?dú)庾兂傻貭I(yíng)養(yǎng)。1888年，德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了其中的奧秘：豆科植物會(huì)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(wù)。而根瘤菌的回報(bào)是化身為固氮工廠，源源不斷地為“房東”提供合成蛋白質(zhì)所需的氮元素營(yíng)養(yǎng)。

然而，為什么只有豆科植物會(huì)“造房子”租給根瘤菌，兩者究竟簽訂了一份怎樣的“租房合同”？這一看似簡(jiǎn)單的問(wèn)題卻一直困擾著科學(xué)家們。中國(guó)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(duì)最近給出了一個(gè)極為重要的答案：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。相關(guān)論文于12月10日在國(guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

找到關(guān)鍵“建材”

要深究“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”這樣一個(gè)常識(shí)中的科學(xué)問(wèn)題，首先需要一個(gè)全新的科研思路。“我們做了一個(gè)大但假設(shè)，認(rèn)為結(jié)瘤固氮是因?yàn)槎箍浦参锔科蛹?xì)胞命運(yùn)和非豆科植物不同。”王二濤說(shuō)，在此基礎(chǔ)上，科研團(tuán)隊(duì)鑒定了超過(guò)50個(gè)控制細(xì)胞命運(yùn)轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)錄因子，最終將目光鎖定在植物發(fā)育的干細(xì)胞程序關(guān)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(huì)在豆科植物的皮層細(xì)胞表達(dá)，而在其他植物里卻只會(huì)在內(nèi)皮層表達(dá)。其次，要把“鋼筋”移動(dòng)到“工地”上。SHR基因在豆科植物維管束表達(dá)蛋白，這些蛋白會(huì)移動(dòng)到皮層細(xì)胞?！颁摻睢薄盎炷痢倍嫉轿恢螅箍浦参锊砰_(kāi)始“建房”：SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊賦予皮層細(xì)胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。

當(dāng)研究人員在豆科植物苜蓿根中過(guò)量表達(dá)SHR-SCR分子模塊時(shí)，成功誘導(dǎo)皮層細(xì)胞分裂形成根瘤樣結(jié)構(gòu)。這驗(yàn)證了SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊的關(guān)鍵作用。

那么，究竟是豆科植物的漂亮“房子”讓根瘤菌心動(dòng)不已，還是根瘤菌的出現(xiàn)讓豆科植物主動(dòng)“建房”？王二濤認(rèn)為，兩種情況可能同時(shí)存在，并相互促進(jìn)。

復(fù)制固氮功能也許可能

找到豆科植物結(jié)瘤固氮獨(dú)特功能的關(guān)鍵分子模塊，更為重要的意義在于向非豆科植物固氮的道路上邁出了一大步。

植物的生長(zhǎng)離不開(kāi)氮元素。氮肥的使用讓農(nóng)作物產(chǎn)量大大增加，但也帶來(lái)了水體富營(yíng)養(yǎng)化污染和加劇全球氣候變暖等負(fù)面影響。而通過(guò)工業(yè)方法將氮?dú)夂铣砂丙}，需要耗費(fèi)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(tài)和環(huán)保?？上У氖?，在植物界，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。

“我們現(xiàn)在知道了豆科植物是如何給根瘤菌建造房子的。”王二濤說(shuō)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)嘗試了在非豆科植物里也用“混凝土”和“鋼筋”造“房子”。他們?cè)诜嵌箍浦参飻M南芥和水稻根中異位過(guò)量表達(dá)SHR-SCR分子模塊，同樣誘導(dǎo)根皮層細(xì)胞分裂?！暗覀儍H僅讓非豆科植物造了‘房子’，但還沒(méi)有看到根瘤菌‘入住’的痕跡?！蓖醵硎?，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(xué)研究。

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