自然科普:為什么豆科植物能與根瘤菌共生固氮?中國科學(xué)家取得重大發(fā)現(xiàn)

  氮素是蛋白質(zhì)與核酸等生命體的基本組成元素,參與植物的生長發(fā)育、物質(zhì)合成與代謝等一系列生物學(xué)過程。空氣中氮元素豐富,但植物不能直接利用。當(dāng)前,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主要通過大量施用氮肥來提高作物產(chǎn)量,人工合成氮肥不僅耗費(fèi)大量的能源,也造成了嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染。

  早在1888年,德國科學(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)境及生長所必須的碳水化合物;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。有趣的是,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,其中以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究較多。

  

  大豆

  圖片來源:作者提供

  

  根瘤菌(藍(lán)色)侵染的根瘤器官

  圖片來源:作者提供

  一百多年來,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”的問題一直困擾著該領(lǐng)域的研究者。2020年12月10日,中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表論文“An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation”,研究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。這可能是豆科植物共生結(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)問題。  

  

  王二濤研究員在觀察植物研究材料

  圖片來源:作者提供

  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)。該研究發(fā)現(xiàn)在豆科植物進(jìn)化過程中,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。  

  

  苜蓿根瘤器官

  圖片來源:作者提供

  

  苜蓿根瘤器官

  圖片來源:作者提供

  當(dāng)在豆科植物苜蓿根中過量表達(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?! ?/p>

  

  豆科植物根瘤發(fā)育機(jī)制

  圖片來源:作者提供

  近年來,我國氮肥施用泛濫,導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化嚴(yán)重,這是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中亟待解決的重大問題之一。該項(xiàng)工作發(fā)現(xiàn)了控制豆科植物根瘤共生固氮的關(guān)鍵分子模塊,不僅加深了人們對(duì)共生固氮的理解,也為非豆科植物皮層細(xì)胞命運(yùn)的改造奠定了基礎(chǔ),為今后減少作物對(duì)氮肥的依賴,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展提供了新的思路。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-3016-z??

關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào),在對(duì)話框:
回復(fù)【最新活動(dòng)】,了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】,了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】,了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】,了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】,了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】,了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】,了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識(shí)】,學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識(shí)
回復(fù)【博物學(xué)院】,了解更多博物學(xué)院活動(dòng)詳情

聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。
做科普,我們是認(rèn)真的!
掃描關(guān)注深i科普公眾號(hào)
加入科普活動(dòng)群
  • 參加最新科普活動(dòng)
  • 認(rèn)識(shí)科普小朋友
  • 成為科學(xué)小記者