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(fā)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(yè)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(tài)環(huán)境污染。

　　早在1888年，德國科學家發(fā)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(yǎng)。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(huán)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(chuàng)新中心王二濤研究團隊在國際頂尖學術期刊《自然》上發(fā)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(fā)育的干細胞程序關鍵模塊，在植物干細胞區(qū)域和內皮層表達。該研究發(fā)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(yǎng)化嚴重，這是我國農業(yè)生產中亟待解決的重大問題之一。該項工作發(fā)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(yè)生產的可持續(xù)發(fā)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(fā)育機制

　　苜蓿根瘤器官

　　根瘤菌（藍色）侵染的根瘤器官