氮素是蛋白質(zhì)與核酸等生命體的基本組成元素，參與植物的生長發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等一系列生物學過程。早在1888年，德國科學家發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉(zhuǎn)化成植物需要的氮素營養(yǎng)。100多年來，“為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮”的問題一直困擾著該領(lǐng)域的研究者。

　　解放日報·上觀新聞記者獲悉，2020年12月10日，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術(shù)期刊《自然》發(fā)表論文，研究揭示豆科植物皮層細胞獲得SHR-SCR干細胞分子模塊，使其有別于非豆科植物，從而回答了百余年來的這一科學問題。

　　【氮，可遇而不可求】

　　空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。氮是可遇而不可求的，固氮反應(yīng)需要很高的能量輸入。當前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過大量施用氮肥來提高作物產(chǎn)量，我國7%的耕地使用了世界35%的氮肥，導致水體富營養(yǎng)化嚴重，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。與此同時，人工合成氮肥不僅耗費大量能源，也造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境污染。

　　前人科學研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉(zhuǎn)化成植物需要的氮素營養(yǎng)。有趣的是，能夠與根瘤菌共生固氮的物種只分布于豆目、薔薇目、葫蘆目和殼斗目中。

　　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(lǐng)域。

　　【為非豆科植物命運的改造奠定了基礎(chǔ)】

　　經(jīng)過8年科研攻關(guān)，王二濤研究團隊發(fā)現(xiàn)，在豆科植物進化過程中，SHR-SCR干細胞分子模塊賦予了豆科植物皮層細胞分裂能力，形成根瘤。由此，豆科植物與非豆科植物有了不同的命運。

　　“我一直有一個夢想，也是我們領(lǐng)域所有人的夢想，就是希望能夠把豆科植物與根瘤菌共生固氮的現(xiàn)象，移植到非豆科植物，這樣可以大大減少非豆科農(nóng)作物對氮肥的依賴?！蓖醵f。

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)，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?！斑@就像是筑巢引鳳，為根瘤菌建造了一座房子讓其搬進去住，后續(xù)是否能共生固氮雖然現(xiàn)在還不得而知，但邁出了關(guān)鍵的一步。”中科院分子植物卓越中心副主任龔繼明說。

　　該項工作發(fā)現(xiàn)，SHR-SCR分子模塊是植物皮層細胞分裂的充分必要條件。這一發(fā)現(xiàn)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(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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