中国科学家在豆科植物根瘤发育研究中取得重大发现。

12月10日，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《自然》上发表了一篇题为《An SHR–SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation》的论文，回答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”这一科学问题。

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、物质合成与新陈代谢等生物学过程。众所周知，哪怕空气中的氮元素丰富，植物却不能直接利用。目前，在农业生产中提高农作物的产量的方式主要是通过大量施用氮肥，而人工合成氮肥耗费能源量巨大，且极易造成严重的生态污染。

与其他植物不同，豆类具有与固氮性异生菌共生的能力。早在八十年代，德国科学家就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。在豆科植物-根瘤菌的共生循环机制中，豆科植物为根瘤菌提供合适的固氮环境及生长所必需的碳水化合物；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。

另外，此过程中产生的氮素也会释放到土壤中，被其他植物利用。根据研究统计，能够与固氮细菌进行共生固氮的物种只分布于豆目、蔷薇目、葫芦目和壳斗目中，以豆科植物-根瘤菌共生固氮研究较多。

一百多年来，豆科植物-根瘤菌共生固氮研究一直是生物学研究的热点领域。此次研究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，回答了“为什么豆类植物能与根瘤菌共生固氮？”这一困扰学界多年的问题。

SHR-SCR在植物干细胞区域和内皮层表达，是植物发育的干细胞程序关键模块。研究发现，在豆科植物进化过程中，豆科植物的皮层细胞能够获得SHR-SCR干细胞分子模块——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。该干细胞分子模块赋予豆科植物皮层细胞分裂能力，使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。根瘤菌的信号能够激活该干细胞分子模块，以诱导豆科植物苜蓿的皮层分裂，形成根瘤。

据研究表明，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。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。

该研究发现了控制豆科植物根瘤共生固氮的关键分子模块，加深了人们对共生固氮的理解，为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础，并为今后减少作物对氮肥的依赖，实现农业生产的可持续发展提供了新思路，从而减少能源消耗和环境污染。