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  • 分子植物科學卓越創新中心科學家在豆科植物根瘤發育研究中取得重大發現

    文章來源:分子植物科學卓越創新中心  |  發布時間:2020-12-10  |  【打印】 【關閉

      
    [video:豆科植物共生固氮的秘密]
      

      氮素是蛋白質與核酸等生命體的基本組成元素,參與植物的生長發育、物質合成與代謝等一系列生物學過程??諝庵械刎S富,但植物不能直接利用。當前,農業生產主要通過大量施用氮肥來提高作物產量,人工合成氮肥不僅耗費大量的能源,也造成了嚴重的生態環境污染。

      早在1888年,德國科學家發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。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境及生長所必須的碳水化合物;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。有趣的是,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,其中以豆科植物-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研究者。

      2020年12月10日,中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術期刊《自然》上發表論文“An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation”,研究揭示豆科植物皮層細胞獲得SHR-SCR干細胞分子模塊,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是植物發育的干細胞程序關鍵模塊,在植物干細胞區域和內皮層表達。該研究發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。

      近年來,我國氮肥施用泛濫,導致水體富營養化嚴重,這是我國農業生產中亟待解決的重大問題之一。該項工作發現了控制豆科植物根瘤共生固氮的關鍵分子模塊,不僅加深了人們對共生固氮的理解,也為非豆科植物皮層細胞命運的改造奠定了基礎,為今后減少作物對氮肥的依賴,實現農業生產的可持續發展提供了新的思路。

      論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41586-020-3016-z

      

      豆科植物根瘤發育機制

      

      苜蓿根瘤器官

      

      根瘤菌(藍色)侵染的根瘤器官

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