如何提高植物對無機營養(yǎng)的吸收效率？這一問題與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，提高作物對氮、磷等無機營養(yǎng)的高效利用是其重要任務(wù)之一。而自然界早已給出答案——植物除了通過根部直接吸收營養(yǎng)外，還可以與土壤微生物建立共生關(guān)系，高效獲取營養(yǎng)。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員團隊，為我們揭示了這背后的奧秘。他們建立菌根共生營養(yǎng)交換的新理論框架，并揭示豆科植物根瘤器官發(fā)生及演化的分子機制，從演化角度回答了“為什么豆科植物能結(jié)瘤固氮”的百年難題，相關(guān)成果已在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。今天，該系列研究成果獲上海市自然科學(xué)一等獎。

揭示植物-菌根共生機制

在自然界，植物有其天然“好伙伴”——菌根真菌。80%陸生植物可以與菌根真菌形成共生，從土壤中獲得磷和氮等礦質(zhì)營養(yǎng)。

為什么植物與菌根真菌之間的關(guān)系那么好呢？它們之間如何進行營養(yǎng)交換與調(diào)控？

傳統(tǒng)的理論認為菌根真菌喜歡“甜食”，糖是植物傳遞給菌根真菌的主要碳源。而王二濤團隊發(fā)現(xiàn)，它更愛吃的其實是“紅燒肉”，脂肪酸才是主要碳源。這一成果直接幫助科學(xué)家們實現(xiàn)了菌根真菌的體外傳代培養(yǎng)，解決了菌根制劑產(chǎn)業(yè)中“菌種無法體外培養(yǎng)”的技術(shù)瓶頸。

作為回報，菌根真菌會幫助植物增加對磷元素的獲取。而聰明的植物還能根據(jù)自身的磷營養(yǎng)狀態(tài)進行“自我調(diào)節(jié)”菌根共生的效率，隨著環(huán)境中磷濃度升高，菌根共生效率就會受到抑制。但其分子機制之謎在過去50多年都未能被揭開。

原來，低磷條件會誘導(dǎo)菌根真菌釋放信號分子——菌根因子。王二濤團隊首次發(fā)現(xiàn)并命名了菌根因子受體OsMYR1，并進一步利用大規(guī)模篩選，首次繪制了水稻-叢枝菌根共生轉(zhuǎn)錄調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，發(fā)現(xiàn)調(diào)控植物磷直接吸收的核心模塊，也可以同時控制菌根共生中磷營養(yǎng)和脂肪酸營養(yǎng)交換的平衡，顛覆了之前關(guān)于植物磷直接吸收和菌根共生吸收途徑相對獨立的認知。

這項研究回答了該領(lǐng)域50多年前提出的菌根共生如何進行“自我調(diào)節(jié)”這一科學(xué)問題，相關(guān)成果在2021年以封面論文的形式發(fā)表在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《細胞》。

解開“豆科植物結(jié)瘤固氮”百年之謎

豆科植物和根瘤細菌的“好伙伴”關(guān)系在學(xué)術(shù)界早已被人們熟知。但是，“為什么只有豆科植物能結(jié)瘤固氮”的問題卻一直困擾著科學(xué)家們。

如果解決了這一難題，有望實現(xiàn)非豆科植物與根瘤細菌共生，將氮氣轉(zhuǎn)化成植物需要的氮素營養(yǎng)，進而減少非豆科農(nóng)作物對氮肥的依賴。

王二濤團隊研究發(fā)現(xiàn)，在豆科植物進化過程中，SHR-SCR干細胞分子模塊賦予了豆科植物皮層細胞分裂能力，從而使其有別于非豆科植物。

具體是怎么回事呢？原來豆科植物干細胞關(guān)鍵基因SCR在皮層細胞表達，另一個細胞關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子基因SHR在維管束表達后，產(chǎn)生的蛋白可以移動到皮層細胞，這兩個蛋白在皮層細胞形成“搭檔”，賦予這些細胞強大的分裂能力。因此，豆科植物能夠在植物根表面形成特殊的“根瘤”結(jié)構(gòu)，與根瘤菌共生固氮。

在攻克了百年難題之后，王二濤又開拓出一片新的研究領(lǐng)域。在研究植物如何識別菌根真菌共生過程中，他發(fā)現(xiàn)植物自有一套“信號識別系統(tǒng)”，能夠精準地區(qū)分共生菌和病原菌。今年5月，相關(guān)研究成果在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《自然》上在線發(fā)表。

“這項研究屬于意料之外，我們是在做這個大方向的研究時，發(fā)現(xiàn)了植物區(qū)分敵友微生物這個新領(lǐng)域，以前幾乎沒有人做，也沒法做?！蓖醵f，他們團隊未來將繼續(xù)探索這片“無人區(qū)”。

令他們欣喜的是，這些基礎(chǔ)研究成果已經(jīng)得到轉(zhuǎn)化應(yīng)用。在他們發(fā)現(xiàn)水稻菌根因子受體的基礎(chǔ)上，育種學(xué)家培育了高共生效率水稻新品種“贛菌稻1號”，實現(xiàn)化肥減量、產(chǎn)量不減；在解析豆科植物-根瘤共生機制的基礎(chǔ)上，研發(fā)了“減肥增效”菌劑并應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，未來有望每年減少7.7億公斤氮肥使用，創(chuàng)造顯著的經(jīng)濟效益。

這些成果為我們揭示了未來農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的無限可能——人類不再需要依賴大量化肥提高農(nóng)作物產(chǎn)量，而是讓微生物們發(fā)揮作用，為植物提供營養(yǎng)，幫助抵抗病蟲害。

這些可能性正在王二濤團隊的努力下，一步步轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實。

上海市科委科普項目資助（項目編號：23DZ2305200）

原標題：《王二濤團隊揭開“植物與微生物共生”奧秘，獲上海市自然科學(xué)一等獎》

欄目主編：黃海華

作者：解放日報見習(xí)記者 李昂