科普｜豆科植物为何不需要施氮肥？上海科学家破解百年难题

早在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。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。2020年12月10日凌晨，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国际顶尖学术期刊《自然》上发表论文，揭开了谜底。

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须的碳水化合物；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。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。

▲王二涛研究员

王二涛研究员介绍，SHR-SCR是植物发育的干细胞程序关键模块，在植物干细胞区域的内皮层表达。该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，与SCR一起赋予豆科植物皮层细胞分裂的潜能。由此，豆科植物与非豆科植物有了不同的命运。

▲苜蓿根瘤器官

在豆科植物苜蓿中，SHR-SCR能够被根瘤菌的信号激活，诱导皮层分裂，从而形成根瘤。而当SHR-SCR干细胞模块被植入非豆科植物，如拟南芥、水稻的皮层细胞时，研究团队发现这些皮层细胞具有了分裂能力。因此该研究揭示了，豆科植物由于其皮层细胞获得了SHR-SCR干细胞分子模块，才会有别于非豆科植物，具有与根瘤菌共生固氮的潜力。

研究团队表示，该项研究成果不仅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。

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、物质合成与代谢等一系列生物学过程。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，人工合成氮肥不仅耗费大量的能源，也造成了严重的生态环境污染，是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。该项成果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的思路。

来源：中科院分子植物卓越中心

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原标题：《科普｜豆科植物为何不需要施氮肥？上海科学家破解百年难题》

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