与土壤中的根瘤菌共生，利用空气中的氮气“自造”氮肥，豆科植物为何有此特殊本领？这个困扰了植物学家百余年的谜团，终于被上海科学家解开。今天凌晨，国际著名学术期刊《自然》杂志在线发表了中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员团队的最新发现。
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。这是一场双赢的“交易”：豆科植物根部会长出瘤状结构供根瘤菌“居住”，给它提供生长所必需的碳水化合物；作为回报，根瘤菌会将氮气转变成含氮化合物，满足豆科植物对氮元素的需求。而根瘤菌所产生的多余氮素也会释放到土壤中，被其他植物利用。待豆科植物死后，部分根瘤菌又被重新释放进入土壤，进而在土壤中循环。
▲苜蓿根瘤器官
有趣的是，具有这手“雇佣”固氮细菌本领的物种，只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目植物中。这种奇特本领背后，究竟“隐藏”着植物体内怎样的机制？王二涛研究员从观察这些植物的根瘤结构入手，经过八年不懈追踪，终于解开了这个百年谜团。
原来，这类植物中的一个干细胞关键转录因子SHR在进化中丢失了几个氨基酸，这使得它们在植物根维管束细胞中被制造出来后，能够移动到位于植物根部的皮层细胞里。在这里，SHR会遇到另一个干细胞关键基因SCR，形成SHR-SCR干细胞分子模块。这一模块能促使皮层细胞分裂，形成根瘤。
▲豆科植物根瘤发育机制
“这就好比筑巢引凤，是引来根瘤菌共生的前提条件。”中科院分子植物卓越中心副主任龚继明解释，大豆等种子富含蛋白质，因此豆科植物对于氮素的营养需求特别大。可能正是源于这种自身需求，它们才在千百万年的进化中发展出了“雇佣”根瘤菌生产氮肥的本领——利用光合作用产物，换取珍贵的氮素营养。研究组还发现，当有根瘤菌侵染时，SHR就会更快更多地移动到皮层细胞中，并在那里富集。
令研究组兴奋的是，将SHR-SCR干细胞分子模块引入水稻、拟南芥等植物后，也会引起相应皮层细胞增生。这是否意味着豆科植物独有的固氮本领，也可能“移植”到其他植物中？
▲根瘤菌（蓝色）侵染的根瘤器官
让水稻、小麦、玉米等重要农作物都能“自造”氮肥，是农学家们几百年的梦想。“将氮气变成氮肥，需要消耗巨大能量，而氮肥只有1/3能被农作物吸收，其余会对环境造成污染。”龚继明表示，尽管真正实现植物固氮本领的转移，还有诸多科学难题需要攻克，但这次发现无疑为梦想实现迈出了关键一步。
作者：许琦敏
图片：中科院分子植物科学卓越创新中心
责任编辑：任荃
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