豆科植物SHR-SCR模块——根瘤“奠基细胞”的命运推手

豆科植物-根瘤菌共生固氮是可持续性农业氮肥的最重要来源。根瘤作为豆科植物共生固氮的一种特化植物侧生器官,提供了根瘤菌生物固氮必需的微环境,是根瘤菌的安身之本,因此,根瘤的正常发育是实现豆科植物-根瘤菌共生固氮的结构基础。根瘤器官的从头发生主要起始于根瘤菌诱导的根皮层细胞分裂。通常认为豆科植物的根皮层具备有别于非豆科植物根皮层的某种特异属性,从而响应根瘤菌并与之建立固氮共生,但长期以来该属性决定的分子机制一直不明确。近日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队以蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)等豆科植物和拟南芥(Arabidopsis thaliana)等非豆科植物为研究对象,发现豆科植物中保守的SHR-SCR干细胞模块决定了其皮层细胞分裂潜能从而赋予根瘤器官发生的命运。该研究揭示了豆科植物根瘤发育的全新机制,提供了研究和理解植物-根瘤菌固氮共生进化的重要线索,对提高豆科作物固氮效率和非豆科作物固氮工程具有重要意义。

SHR-SCR模块通过决定皮层细胞的命运调控豆科植物根瘤起始

"为什么豆科植物能与根瘤菌共生固氮"是一个有待阐述的重要科学问题,一直困扰着该领域的学者。2020年12月10日,中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队在Nature发表了题为An SHR-SCR module specifies legume cortical cell fate to enable nodulation的研究论文。该研究发现,豆科植物皮层细胞获得了SHR-SCR分子模块,其通过决定皮层细胞的命运调控豆科植物根瘤起始,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,回答了"为什么豆科植物能结瘤固氮"这一科学问题。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命运的改造奠定了基础,为今后减少作物对氮肥的依赖,实现农业生产的可持续发展提供了新的思路。本文特邀山东大学丁兆军教授对这一成果进行点评。