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(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等一系列生物學(xué)過(guò)程。一百多年來(lái)，“為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮”的問(wèn)題一直困擾著該領(lǐng)域的研究者。科技日?qǐng)?bào)記者12月9日從中國(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)獲悉，他們?cè)趪?guó)際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，解答了“豆科植物有別于非豆科植物能夠結(jié)瘤固氮”這一科學(xué)問(wèn)題。

早在1888年，德國(guó)科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)豆科植物與根瘤菌共生可以將氮?dú)廪D(zhuǎn)化成植物需要的氮素營(yíng)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(zhǎng)所必需的碳水化合物;作為回報(bào)，根瘤菌將氮?dú)廪D(zhuǎn)變成含氮化合物，滿足豆科植物對(duì)氮元素的需求。另外，固定的氮元素也會(huì)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。

王二濤團(tuán)隊(duì)經(jīng)多年研究發(fā)現(xiàn)，在豆科植物進(jìn)化過(guò)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(gè)干細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在維管束表達(dá)后移動(dòng)到皮層細(xì)胞，這樣豆科植物的皮層細(xì)胞獲得了SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊。該干細(xì)胞分子模塊賦予豆科植物皮層細(xì)胞分裂能力，使豆科植物的皮層與非豆科植物不同。同時(shí)，該干細(xì)胞分子模塊能夠被根瘤菌的信號(hào)激活，誘導(dǎo)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(guò)量表達(dá)，可以誘導(dǎo)皮層細(xì)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(guò)量表達(dá)SHR-SCR分子模塊同樣可以誘導(dǎo)根皮層細(xì)胞分裂，因此SHR-SCR分子模塊是植物皮層細(xì)胞分裂的充分必要條件，表明豆科植物的皮層細(xì)胞獲得SHR-SCR干細(xì)胞程序模塊，可能是豆科植物共生結(jié)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(lái)，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(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重。該項(xiàng)工作不僅加深了人們對(duì)共生固氮的理解，也為非豆科植物皮層細(xì)胞命運(yùn)的改造奠定了基礎(chǔ)，為今后減少作物對(duì)氮肥的依賴、實(shí)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(kāi)“根瘤菌”嗎

對(duì)于所有的生命體而言，固氮作用是不可或缺的自然過(guò)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(guò)與固氮菌相互作用來(lái)獲取生長(zhǎng)所需的氮?？茖W(xué)家對(duì)于“植物固氮”很感興趣，因?yàn)檫@對(duì)于減少化學(xué)肥料應(yīng)用和能源消耗都有意義。

植物固氮離不開(kāi)一種叫做“根瘤菌”的細(xì)菌，這種細(xì)菌與植物的關(guān)系是誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)的共生關(guān)系。氮在空氣中非常充足，但它是“懶惰”的，植物無(wú)法直接利用空氣中的“氮”，于是這個(gè)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(zhuǎn)化成可以利用的含氮肥料，進(jìn)一步深加工成蛋白質(zhì)。

植物根系中的細(xì)菌通過(guò)固氮作用將空氣中的氮元素轉(zhuǎn)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(shí)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(lái)，我們都認(rèn)為只有配備了根瘤這種獨(dú)特裝備的植物才能從細(xì)菌—植物共生關(guān)系中獲益，固氮植物一般是豆科植物。但美國(guó)華盛頓大學(xué)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)在貧瘠巖石地面上的楊樹(shù)也可以利用那些寄生在其樹(shù)枝內(nèi)細(xì)菌提供的養(yǎng)分維持生長(zhǎng)。他們的研究證明，固氮作用同樣可以發(fā)生在樹(shù)枝上，這一過(guò)程并不需要根瘤的參與。(王筱驕 記者 王 春)

關(guān)鍵詞： 豆科植物 根瘤菌