图说：王二涛研究员 记者 郜阳 摄
植物从苗苗茁壮成长，少不了氮素的贡献。虽然空气中氮元素丰富，但它却不“与人方便”——植物无法直接利用。为了提高作物产量，人们大量施用氮肥，但这是把双刃剑：产量提升了，却也造成了严重的环境污染，典型表现就是水体富营养化严重。数据显示，我国耕地面积占世界7%，却使用了全球35%的氮肥。
要知道，氮气的三键被打破才能为生物学上所用，且非生物固氮会消耗大量的能源。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。这对“共生体”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。并且，固定的氮素也会释放到土壤中，被其他植物利用。这就不难理解，大豆、小麦、玉米轮作的一片土地可以少施肥，却与使用农业化肥种植小麦、玉米的土地相比，产量相差无几。
图说：王二涛研究员在观察植物研究材料 来源/中科院分子植物科学卓越创新中心
有意思的是，能够与固氮细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。百年多来，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研究者。
经过8年科研攻关，北京时间今天（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》（Nature）上发表论文，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，解开了上述问题之谜。
王二涛自2013年留学归国起，就投入了豆科植物与根瘤菌共生固氮领域，在此之前，根瘤起始发育领域几乎是一张白纸。研究团队大胆假设：豆科植物的细胞命运和非豆科植物不同。他们通过实验发现，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，两者结合产生“神奇魔法”——豆科植物皮层细胞拥有了分裂的潜能。由此，豆科植物与非豆科植物走上了不同的命运。在豆科植物苜蓿中，SHR与SCR结合形成的干细胞分子模块能够被根瘤菌的信号激活，诱导皮层分裂，从而形成根瘤。
图说：苜蓿根瘤器官
更令科学家们兴奋的是，当SHR-SCR干细胞模块植入非豆科植物拟南芥和水稻皮层细胞时，这些皮层细胞同样具有了分裂能力。这一发现表明，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条件。
“这项工作发现了控制豆科植物和根瘤共生固氮的关键分子模块，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。”王二涛表示，“这一发现为今后减少作物对氮肥的依赖提供了新的思路。”
当然，想让非豆科植物和根瘤菌共生固氮还有漫漫长路。科学家们下一步要做的，是进一步修饰非豆科植物，看看它们能否“筑巢”引来根瘤菌，并“和谐相处”。