與土壤中的根瘤菌共生，利用空氣中的氮氣“自造”氮肥，豆科植物為何有此特殊本領(lǐng)？這個困擾了植物學(xué)家百余年的謎團(tuán)，終于被上?？茖W(xué)家解開。今天凌晨，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員團(tuán)隊的最新發(fā)現(xiàn)。

早在1888年，德國科學(xué)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)。這是一場雙贏的“交易”：豆科植物根部會長出瘤狀結(jié)構(gòu)供根瘤菌“居住”，給它提供生長所必需的碳水化合物；作為回報，根瘤菌會將氮氣轉(zhuǎn)變成含氮化合物，滿足豆科植物對氮元素的需求。而根瘤菌所產(chǎn)生的多余氮素也會釋放到土壤中，被其他植物利用。待豆科植物死后，部分根瘤菌又被重新釋放進(jìn)入土壤，進(jìn)而在土壤中循環(huán)。

苜蓿根瘤器官

有趣的是，具有這手“雇傭”固氮細(xì)菌本領(lǐng)的物種，只分布于豆目、薔薇目、葫蘆目和殼斗目植物中。這種奇特本領(lǐng)背后，究竟“隱藏”著植物體內(nèi)怎樣的機(jī)制？王二濤研究員從觀察這些植物的根瘤結(jié)構(gòu)入手，經(jīng)過八年不懈追蹤，終于解開了這個百年謎團(tuán)。

原來，這類植物中的一個干細(xì)胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子SHR在進(jìn)化中丟失了幾個氨基酸，這使得它們在植物根維管束細(xì)胞中被制造出來后，能夠移動到位于植物根部的皮層細(xì)胞里。在這里，SHR會遇到另一個干細(xì)胞關(guān)鍵基因SCR，形成SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊。這一模塊能促使皮層細(xì)胞分裂，形成根瘤。

豆科植物根瘤發(fā)育機(jī)制

“這就好比筑巢引鳳，是引來根瘤菌共生的前提條件。”中科院分子植物卓越中心副主任龔繼明解釋，大豆等種子富含蛋白質(zhì)，因此豆科植物對于氮素的營養(yǎng)需求特別大?？赡苷窃从谶@種自身需求，它們才在千百萬年的進(jìn)化中發(fā)展出了“雇傭”根瘤菌生產(chǎn)氮肥的本領(lǐng)——利用光合作用產(chǎn)物，換取珍貴的氮素營養(yǎng)。研究組還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有根瘤菌侵染時，SHR就會更快更多地移動到皮層細(xì)胞中，并在那里富集。

令研究組興奮的是，將SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊引入水稻、擬南芥等植物后，也會引起相應(yīng)皮層細(xì)胞增生。這是否意味著豆科植物獨有的固氮本領(lǐng)，也可能“移植”到其他植物中？

根瘤菌（藍(lán)色）侵染的根瘤器官

讓水稻、小麥、玉米等重要農(nóng)作物都能“自造”氮肥，是農(nóng)學(xué)家們幾百年的夢想。“將氮氣變成氮肥，需要消耗巨大能量，而氮肥只有1/3能被農(nóng)作物吸收，其余會對環(huán)境造成污染。”龔繼明表示，盡管真正實現(xiàn)植物固氮本領(lǐng)的轉(zhuǎn)移，還有諸多科學(xué)難題需要攻克，但這次發(fā)現(xiàn)無疑為夢想實現(xiàn)邁出了關(guān)鍵一步。

作者：許琦敏圖片：中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心責(zé)任編輯：任荃