中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤團隊在豆科植物根瘤發(fā)育研究中獲重大發(fā)現(xiàn)，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。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”這一科學問題。12月10日，該研究成果論文在線發(fā)表于《自然》。

　　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?？諝庵械刎S富，但植物不能直接利用。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，人工合成氮肥不僅耗費大量的能源，也造成了嚴重的生態(tài)環(huán)境污染。

　　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)。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，能夠與固氮細菌進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。

　　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域。其中，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域的研究者。

　　“SHR-SCR是植物發(fā)育的干細胞程序關鍵模塊，在植物干細胞區(qū)域和內(nèi)皮層表達。”王二濤告訴《中國科學報》，這項研究發(fā)現(xiàn)在豆科植物進化過程中，豆科植物干細胞關鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個干細胞關鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在維管束表達后移動到皮層細胞，這樣豆科植物的皮層細胞獲得了SHR-SCR干細胞分子模塊。該干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，該干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。

　　王二濤進一步解釋說，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(jié)構(gòu)。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干細胞程序模塊可能是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件。

　　“近年來，我國氮肥施用泛濫，導致水體富營養(yǎng)化嚴重，這是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一?！敝袊茖W院院士、中科院分子植物卓越創(chuàng)新中心主任韓斌表示，該項工作發(fā)現(xiàn)了控制豆科植物根瘤共生固氮的關鍵分子模塊，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胞命運的改造奠定了基礎，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)展提供了新思路。

　　相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-020-3016-z

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