氮作为生命体的基本组成元素,参与着植物的生长发育、物质合成与代谢等一系列生物学过程。一百多年来,“为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮”的问题一直困扰着该领域的研究者。科技日报记者12月9日从中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队获悉,他们在国际顶尖学术期刊《自然》上发表了一项研究,解答了“豆科植物有别于非豆科植物能够结瘤固氮”这一科学问题。

早在1888年,德国科学家就发现豆科植物与根瘤菌共生可以将氮气转化成植物需要的氮素营养。在豆科植物—根瘤菌共生中,豆科植物为根瘤菌提供合适的固氮环境及生长所必需的碳水化合物;作为回报,根瘤菌将氮气转变成含氮化合物,满足豆科植物对氮元素的需求。另外,固定的氮元素也会释放到土壤中,被其他植物利用。有趣的是,能够与固氮细菌进行共生固氮的物种只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中,其中以豆科植物—根瘤菌共生固氮研究较多。

王二涛团队经多年研究发现,在豆科植物进化过程中,豆科植物干细胞关键基因SCR在皮层细胞表达,另一个干细胞关键转录因子SHR在维管束表达后移动到皮层细胞,这样豆科植物的皮层细胞获得了SHR-SCR干细胞分子模块。该干细胞分子模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力,使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。同时,该干细胞分子模块能够被根瘤菌的信号激活,诱导豆科植物苜蓿的皮层分裂,形成根瘤。

SHR-SCR分子模块在豆科植物苜蓿根中的过量表达,可以诱导皮层细胞分裂形成根瘤样结构。在非豆科植物拟南芥和水稻根中异位过量表达SHR-SCR分子模块同样可以诱导根皮层细胞分裂,因此SHR-SCR分子模块是植物皮层细胞分裂的充分必要条件,表明豆科植物的皮层细胞获得SHR-SCR干细胞程序模块,可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件。

空气中氮元素丰富,但植物不能直接利用。近年来,农业生产为提高作物产量而大量施用氮肥,不但影响全球气候变化,也导致水体富营养化严重。该项工作不仅加深了人们对共生固氮的理解,也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础,为今后减少作物对氮肥的依赖、实现农业生产的可持续发展提供了新思路。

(记者 王 春)