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百年难题终破解 豆科植物化氮气为氮肥原来靠它

来源:科技日报编稿时间:2020-12-17 | 点击数:

来源:《科技日报》20201216第08版    王筱骄 本报记者 王 春

  氮作为生命体的基本组成元素,参与着植物的生长发育、物质合成与代谢等一系列生物学过程。一百多年来,“为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮”的问题一直困扰着该领域的研究者。科技日报记者12月9日从中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队获悉,他们在国际顶尖学术期刊《自然》上发表了一项研究,解答了“豆科植物有别于非豆科植物能够结瘤固氮”这一科学问题。

  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。在豆科植物—根瘤菌共生中,豆科植物为根瘤菌提供合适的固氮环境及生长所必需的碳水化合物;作为回报,根瘤菌将氮气转变成含氮化合物,满足豆科植物对氮元素的需求。另外,固定的氮元素也会释放到土壤中,被其他植物利用。有趣的是,能够与固氮细菌进行共生固氮的物种只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中,其中以豆科植物—根瘤菌共生固氮研究较多。

  王二涛团队经多年研究发现,在豆科植物进化过程中,豆科植物干细胞关键基因SCR在皮层细胞表达,另一个干细胞关键转录因子SHR在维管束表达后移动到皮层细胞,这样豆科植物的皮层细胞获得了SHR-SCR干细胞分子模块。该干细胞分子模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力,使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。同时,该干细胞分子模块能够被根瘤菌的信号激活,诱导豆科植物苜蓿的皮层分裂,形成根瘤。

  SHR-SCR分子模块在豆科植物苜蓿根中的过量表达,可以诱导皮层细胞分裂形成根瘤样结构。在非豆科植物拟南芥和水稻根中异位过量表达SHR-SCR分子模块同样可以诱导根皮层细胞分裂,因此SHR-SCR分子模块是植物皮层细胞分裂的充分必要条件,表明豆科植物的皮层细胞获得SHR-SCR干细胞程序模块,可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件。

  空气中氮元素丰富,但植物不能直接利用。近年来,农业生产为提高作物产量而大量施用氮肥,不但影响全球气候变化,也导致水体富营养化严重。该项工作不仅加深了人们对共生固氮的理解,也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础,为今后减少作物对氮肥的依赖、实现农业生产的可持续发展提供了新思路。

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  植物固氮真的离不开“根瘤菌”吗

  对于所有的生命体而言,固氮作用是不可或缺的自然过程。在某些氮元素稀少的环境中,比如岩质的贫瘠地形,植物通过与固氮菌相互作用来获取生长所需的氮。科学家对于“植物固氮”很感兴趣,因为这对于减少化学肥料应用和能源消耗都有意义。

  植物固氮离不开一种叫做“根瘤菌”的细菌,这种细菌与植物的关系是谁也离不开谁的共生关系。氮在空气中非常充足,但它是“懒惰”的,植物无法直接利用空气中的“氮”,于是这个重任就交给根瘤菌了。根瘤菌在植物根系形成根瘤固氮“工厂”,将空气中的氮转化成可以利用的含氮肥料,进一步深加工成蛋白质。

  植物根系中的细菌通过固氮作用将空气中的氮元素转化成植物可用的形式并固定在其根部。许多研究已经证实固氮作用通常发生在微生物聚集的豆科植物根瘤中,比如大豆、三叶草、苜蓿和羽扇豆。

  一直以来,我们都认为只有配备了根瘤这种独特装备的植物才能从细菌—植物共生关系中获益,固氮植物一般是豆科植物。但美国华盛顿大学科学家团队研究发现,生长在贫瘠岩石地面上的杨树也可以利用那些寄生在其树枝内细菌提供的养分维持生长。他们的研究证明,固氮作用同样可以发生在树枝上,这一过程并不需要根瘤的参与。

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