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早在1888年，德國科學(xué)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)。一百多年來，“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。2020年12月10日凌晨，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，揭開了謎底。

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。

王二濤研究員

王二濤研究員介紹，SHR-SCR是植物發(fā)育的干細(xì)胞程序關(guān)鍵模塊，在植物干細(xì)胞區(qū)域的內(nèi)皮層表達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)在豆科植物進(jìn)化過程中，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，與SCR一起賦予豆科植物皮層細(xì)胞分裂的潛能。由此，豆科植物與非豆科植物有了不同的命運。

苜蓿根瘤器官

在豆科植物苜蓿中，SHR-SCR能夠被根瘤菌的信號激活，誘導(dǎo)皮層分裂，從而形成根瘤。而當(dāng)SHR-SCR干細(xì)胞模塊被植入非豆科植物，如擬南芥、水稻的皮層細(xì)胞時，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)這些皮層細(xì)胞具有了分裂能力。因此該研究揭示了，豆科植物由于其皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊，才會有別于非豆科植物，具有與根瘤菌共生固氮的潛力。

為今后減少作物對氮肥的依賴提供新思路

研究團(tuán)隊表示，該項研究成果不僅加深了人們對共生固氮的理解，為非豆科植物皮層細(xì)胞命運的改造奠定了基礎(chǔ)。

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(xué)過程?？諝庵械刎S富，但植物不能直接利用。當(dāng)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(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染，是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。該項成果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。

標(biāo)簽： 氮肥依賴