氮素是蛋白質與核酸等生命體的基本組成元素，參與植物的生長發(fā)育、物質合成與代謝等生物學過程。空氣中氮元素豐富，但植物不能直接利用。當前，農業(yè)生產主要通過大量施用氮肥來提高作物產量，人工合成氮肥耗費大量能源，并造成嚴重的生態(tài)環(huán)境污染。
1888年，德國科學家發(fā)現豆科植物與根瘤菌共生可以將氮氣轉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，固定的氮素也會釋放到土壤中，被其他植物利用。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，以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。
一百多年來，對豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物學研究的熱點前沿領域。其中，“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域的學者。12月10日，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胞獲得SHR-SCR干細胞分子模塊，使其有別于非豆科植物。這或是豆科植物共生結瘤固氮的前提事件，回答了“為什么豆科植物能結瘤固氮”這一科學問題。
SHR-SCR是植物發(fā)育的干細胞程序關鍵模塊，在植物干細胞區(qū)域和內皮層表達。研究發(fā)現，在豆科植物進化過程中，豆科植物干細胞關鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個干細胞關鍵轉錄因子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。
當在豆科植物苜蓿根中過量表達SHR-SCR分子模塊時，可以誘導皮層細胞分裂形成根瘤樣結構。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了SHR-SCR干細胞程序模塊可能是豆科植物共生結瘤固氮的前提事件。
該研究發(fā)現了控制豆科植物根瘤共生固氮的關鍵分子模塊，加深了人們對共生固氮的理解，為非豆科植物皮層細胞命運的改造奠定了基礎，并為今后減少作物對氮肥的依賴，實現農業(yè)生產的可持續(xù)發(fā)展提供了新思路。
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