百年難題終破解 豆科植物化氮氣為氮肥原來靠它

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(lǐng)域的研究者。科技日報記者12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(shù)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(jié)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(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)境及生長所必需的碳水化合物；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(guān)鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個干細胞關(guān)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。

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(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。

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(chǔ)，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(yīng)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(guān)系是誰也離不開誰的共生關(guān)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(zhuǎn)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(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(guān)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。