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图1 豆科植物根瘤发育机制
在国家自然科学基金项目（批准号：31825003、31730103、32088102）等资助下，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豆科植物根瘤发育研究方面取得重要发现，研究成果以“SHR–SCR分子模块决定皮层细胞命运使豆科植物共生固氮(An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation)”为题，于2020年12月10日在线发表在《自然》（Nature）杂志上。（论文链接https://doi.org/10.1038/s41586-020-3016-z）
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。
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。之后的一百多年，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。
该研究团队揭示了豆科植物皮层细胞获得SHORTROOT-SCARECROW （SHR-SCR）干细胞分子模块，使其有别于非豆科植物，从而回答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”这一科学问题。
SHR-SCR是植物发育的干细胞程序关键模块，在植物干细胞区域和内皮层表达。该研究发现，在豆科植物进化过程中，其干细胞关键基因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，从而使豆科植物的皮层细胞获得了SHR-SCR干细胞分子模块。该模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力，使豆科植物的皮层有别于非豆科植物。同时，该模块能够被根瘤菌的信号激活，诱导豆科植物的皮层分裂，形成根瘤。
研究发现，当在豆科植物苜蓿根中过量表达SHR-SCR分子模块时，可以诱导皮层细胞分裂形成根瘤样结构。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，因此SHR-SCR分子模块是植物皮层细胞分裂的重要条件，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事件。
近年来，我国氮肥施用泛滥，导致水体富营养化严重，这是我国农业生产中亟待解决的重大问题之一。该项工作发现了控制豆科植物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改造奠定了基础，为今后减少作物对氮肥的依赖，实现农业生产可持续发展提供了新思路。