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科学家在豆科植物根瘤发育研究中获进展
日期:2021-01-19 作者:未知 来源:中国科学院 点击:
 氮素是蛋白质与核酸等生命体的基本组成元素,参与植物的生长发育、物质 合成与代谢等生物学过程。空气中氮元素丰富,但植物不能直接利用。当前,农 业生产主要通过大量施用氮肥来提高作物产量,人工合成氮肥耗费大量能源,并 造成严重的生态环境污染。
    1888 年,德国科学家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,固定的氮素也会释放到土壤中,被其他植 物利用。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,以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究较多。
    一百多年来,对豆科植物-根瘤菌共生固氮的研究一直是生物学研究的热点 前沿领域。其中,“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 领域的学者。12 月 10 日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团 队在《自然》上发表论文 An SHR–SCR module specifies legume cortical ce ll fate to enable nodulation,揭示豆科植物皮层细胞获得 SHR-SCR 干细胞分 子模块,使其有别于非豆科植物。这或是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件,回 答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”这一科学问题。
    SHR-SCR 是植物发育的干细胞程序关键模块,在植物干细胞区域和内皮层表 达。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。
    当在豆科植物苜蓿根中过量表达 SHR-SCR 分子模块时,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了 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。
    该研究发现了控制豆科植物根瘤共生固氮的关键分子模块,加深了人们对共 生固氮的理解,为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础,并为今后减少作 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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