众所周知，豆科植物有一个与众不同的特殊技能：能将空气中的氮气变成氮素营养。1888年，德国科学家发现了其中的奥秘：豆科植物会在根部皮层“建造”一栋“房子”，不仅供给根瘤菌“居住”，还提供“水电煤”服务。而根瘤菌的回报是化身为固氮工厂，源源不断地为“房东”提供合成蛋白质所需的氮元素营养。

然而，为什么只有豆科植物会“造房子”租给根瘤菌，两者究竟签订了一份怎样的“租房合同”？这一看似简单的问题却一直困扰着科学家们。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究团队最近给出了一个极为重要的答案：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，这可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提事件。相关论文于12月10日在国际顶尖学术期刊《自然》上发表。

找到关键“建材”

要深究“为什么豆科植物能结瘤固氮”这样一个常识中的科学问题，首先需要一个全新的科研思路。“我们做了一个大但假设，认为结瘤固氮是因为豆科植物根部皮层细胞命运和非豆科植物不同。”王二涛说，在此基础上，科研团队鉴定了超过50个控制细胞命运转化的转录因子，最终将目光锁定在植物发育的干细胞程序关键模块——SHR-SCR基因上。

可以把SCR基因和SHR基因看作是豆科植物为根瘤菌造房子的“混凝土”和“钢筋”。首先，要在“工地”上合成“混凝土”。SCR基因会在豆科植物的皮层细胞表达，而在其他植物里却只会在内皮层表达。其次，要把“钢筋”移动到“工地”上。SHR基因在豆科植物维管束表达蛋白，这些蛋白会移动到皮层细胞。“钢筋”“混凝土”都到位之后，豆科植物才开始“建房”：SHR-SCR干细胞分子模块赋予皮层细胞分裂能力，使豆科植物的皮层与非豆科植物不同。

当研究人员在豆科植物苜蓿根中过量表达SHR-SCR分子模块时，成功诱导皮层细胞分裂形成根瘤样结构。这验证了SHR-SCR干细胞分子模块的关键作用。

那么，究竟是豆科植物的漂亮“房子”让根瘤菌心动不已，还是根瘤菌的出现让豆科植物主动“建房”？王二涛认为，两种情况可能同时存在，并相互促进。

复制固氮功能也许可能

找到豆科植物结瘤固氮独特功能的关键分子模块，更为重要的意义在于向非豆科植物固氮的道路上迈出了一大步。

植物的生长离不开氮元素。氮肥的使用让农作物产量大大增加，但也带来了水体富营养化污染和加剧全球气候变暖等负面影响。而通过工业方法将氮气合成氨盐，需要耗费大量能量。与此相比，豆科植物与根瘤菌的生物固氮能力显得尤为生态和环保。可惜的是，在植物界，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。

“我们现在知道了豆科植物是如何给根瘤菌建造房子的。”王二涛说。科研团队尝试了在非豆科植物里也用“混凝土”和“钢筋”造“房子”。他们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，同样诱导根皮层细胞分裂。“但我们仅仅让非豆科植物造了‘房子’，但还没有看到根瘤菌‘入住’的痕迹。”王二涛表示，除了“房子”之外，还有哪些因素吸引根瘤菌，还需要更多的科学研究。

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