氮素是蛋白質(zhì)與核酸等生命體的基本組成元素，參與植物的生長(zhǎng)發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等生物學(xué)過(guò)程?？諝庵械刎S富，但植物不能直接利用。當(dāng)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過(guò)大量施用氮肥來(lái)提高作物產(chǎn)量，人工合成氮肥耗費(fèi)大量能源，并造成嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。
1888年，德國(guó)科學(xué)家發(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(mǎn)足豆科植物對(duì)氮元素的需求。另外，固定的氮素也會(huì)釋放到土壤中，被其他植物利用。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，以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。
一百多年來(lái)，對(duì)豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物學(xué)研究的熱點(diǎn)前沿領(lǐng)域。其中，“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)域的學(xué)者。12月10日，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)在《自然》上發(fā)表論文An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation，揭示豆科植物皮層細(xì)胞獲得SHR-SCR干細(xì)胞分子模塊，使其有別于非豆科植物。這或是豆科植物共生結(jié)瘤固氮的前提事件，回答了“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”這一科學(xué)問(wèn)題。
SHR-SCR是植物發(fā)育的干細(xì)胞程序關(guān)鍵模塊，在植物干細(xì)胞區(qū)域和內(nèi)皮層表達(dá)。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。
當(dāng)在豆科植物苜蓿根中過(guò)量表達(dá)SHR-SCR分子模塊時(shí)，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)胞獲得了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。
該研究發(fā)現(xiàn)了控制豆科植物根瘤共生固氮的關(guān)鍵分子模塊，加深了人們對(duì)共生固氮的理解，為非豆科植物皮層細(xì)胞命運(yùn)的改造奠定了基礎(chǔ)，并為今后減少作物對(duì)氮肥的依賴(lài)，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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