科学视点

上海科学家解答生物学热点难题

  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。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。100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。

  中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队今天在国际顶尖学术期刊《自然》发表论文,研究揭示豆科植物皮层细胞获得SHRSCR干细胞分子模块,使其有别于非豆科植物,从而回答了百余年来的这一科学难题。

  空气中氮元素丰富,但植物不能直接利用。氮是可遇而不可求的,固氮反应需要很高的能量输入。当前,农业生产主要通过大量施用氮肥来提高农作物产量,我国7%的耕地使用了世界35%的氮肥,导致水体富营养化严重,是我国农业生产中亟待解决的问题之一。与此同时,人工合成氮肥不仅耗费大量能源,也造成了严重的生态环境污染。

  前人的科学研究发现,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。有趣的是,能与根瘤菌共生固氮的物种只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中。对豆科植物与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。经过8年科研攻关,王二涛团队研究发现,在豆科植物进化过程中,SHRSCR干细胞分子模块赋予了豆科植物皮层细胞分裂能力,形成根瘤。由此,豆科植物与非豆科植物有了不同的命运。“我们希望把豆科植物与根瘤菌共生固氮现象移植到非豆科植物,这样有助于减少非豆科农作物对氮肥的依赖。”

  研究团队发现,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。“这就像是筑巢引凤,为根瘤菌建造了一座房子让其搬进去住,后续是否能共生固氮虽然现在还不得而知,但已迈出了关键的一步。”中科院分子植物卓越中心副主任龚继明说。该项研究发现,SHR-SCR分子模块是植物皮层细胞分裂的充分必要条件。这一发现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,为今后减少农作物对氮肥的依赖,实现农业生产的可持续发展提供了新的思路。


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