為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮？百年難題終破解

氮作為生命體的基本組成元素，參與著植物的生長發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等一系列生物學過程。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域的研究者?？萍既請笥浾?2月9日從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獲悉，他們在國際頂尖學術期刊《自然》上發(fā)表了一項研究，解答了“豆科植物有別于非豆科植物能夠結瘤固氮”這一科學問題。

早在1888年，德國科學家就發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉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)境及生長所必需的碳水化合物;作為回報，根瘤菌將氮氣轉變成含氮化合物，滿足豆科植物對氮元素的需求。另外，固定的氮元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。

王二濤團隊經(jīng)多年研究發(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。

SHR-SCR分子模塊在豆科植物苜蓿根中的過量表達，可以誘導皮層細胞分裂形成根瘤樣結構。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SHR-SCR干細胞程序模塊，可能是豆科植物共生結瘤固氮的前提事件。

空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。近年來，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為提高作物產(chǎn)量而大量施用氮肥，不但影響全球氣候變化，也導致水體富營養(yǎng)化嚴重。該項工作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。

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植物固氮真的離不開“根瘤菌”嗎

對于所有的生命體而言，固氮作用是不可或缺的自然過程。在某些氮元素稀少的環(huán)境中，比如巖質(zhì)的貧瘠地形，植物通過與固氮菌相互作用來獲取生長所需的氮?？茖W家對于“植物固氮”很感興趣，因為這對于減少化學肥料應用和能源消耗都有意義。

植物固氮離不開一種叫做“根瘤菌”的細菌，這種細菌與植物的關系是誰也離不開誰的共生關系。氮在空氣中非常充足，但它是“懶惰”的，植物無法直接利用空氣中的“氮”，于是這個重任就交給根瘤菌了。根瘤菌在植物根系形成根瘤固氮“工廠”，將空氣中的氮轉化成可以利用的含氮肥料，進一步深加工成蛋白質(zhì)。

植物根系中的細菌通過固氮作用將空氣中的氮元素轉化成植物可用的形式并固定在其根部。許多研究已經(jīng)證實固氮作用通常發(fā)生在微生物聚集的豆科植物根瘤中，比如大豆、三葉草、苜蓿和羽扇豆。

一直以來，我們都認為只有配備了根瘤這種獨特裝備的植物才能從細菌—植物共生關系中獲益，固氮植物一般是豆科植物。但美國華盛頓大學科學家團隊研究發(fā)現(xiàn)，生長在貧瘠巖石地面上的楊樹也可以利用那些寄生在其樹枝內(nèi)細菌提供的養(yǎng)分維持生長。他們的研究證明，固氮作用同樣可以發(fā)生在樹枝上，這一過程并不需要根瘤的參與。(王筱驕 記者 王 春)

關鍵詞： 豆科植物 根瘤菌