如何提高植物对无机营养的吸收效率？这一问题与现代农业发展息息相关，提高作物对氮、磷等无机营养的高效利用是其重要任务之一。而自然界早已给出答案——植物除了通过根部直接吸收营养外，还可以与土壤微生物建立共生关系，高效获取营养。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员团队，为我们揭示了这背后的奥秘。他们建立菌根共生营养交换的新理论框架，并揭示豆科植物根瘤器官发生及演化的分子机制，从演化角度回答了“为什么豆科植物能结瘤固氮”的百年难题，相关成果已在农业生产中得到应用。今天，该系列研究成果获上海市自然科学一等奖。
揭示植物-菌根共生机制
在自然界，植物有其天然“好伙伴”——菌根真菌。80%陆生植物可以与菌根真菌形成共生，从土壤中获得磷和氮等矿质营养。
为什么植物与菌根真菌之间的关系那么好呢？它们之间如何进行营养交换与调控？
传统的理论认为菌根真菌喜欢“甜食”，糖是植物传递给菌根真菌的主要碳源。而王二涛团队发现，它更爱吃的其实是“红烧肉”，脂肪酸才是主要碳源。这一成果直接帮助科学家们实现了菌根真菌的体外传代培养，解决了菌根制剂产业中“菌种无法体外培养”的技术瓶颈。
作为回报，菌根真菌会帮助植物增加对磷元素的获取。而聪明的植物还能根据自身的磷营养状态进行“自我调节”菌根共生的效率，随着环境中磷浓度升高，菌根共生效率就会受到抑制。但其分子机制之谜在过去50多年都未能被揭开。
原来，低磷条件会诱导菌根真菌释放信号分子——菌根因子。王二涛团队首次发现并命名了菌根因子受体OsMYR1，并进一步利用大规模筛选，首次绘制了水稻-丛枝菌根共生转录调控网络，发现调控植物磷直接吸收的核心模块，也可以同时控制菌根共生中磷营养和脂肪酸营养交换的平衡，颠覆了之前关于植物磷直接吸收和菌根共生吸收途径相对独立的认知。
这项研究回答了该领域50多年前提出的菌根共生如何进行“自我调节”这一科学问题，相关成果在2021年以封面论文的形式发表在国际顶尖学术期刊《细胞》。
解开“豆科植物结瘤固氮”百年之谜
豆科植物和根瘤细菌的“好伙伴”关系在学术界早已被人们熟知。但是，“为什么只有豆科植物能结瘤固氮”的问题却一直困扰着科学家们。
如果解决了这一难题，有望实现非豆科植物与根瘤细菌共生，将氮气转化成植物需要的氮素营养，进而减少非豆科农作物对氮肥的依赖。
王二涛团队研究发现，在豆科植物进化过程中，SHR-SCR干细胞分子模块赋予了豆科植物皮层细胞分裂能力，从而使其有别于非豆科植物。
具体是怎么回事呢？原来豆科植物干细胞关键基因SCR在皮层细胞表达，另一个细胞关键转录因子基因SHR在维管束表达后，产生的蛋白可以移动到皮层细胞，这两个蛋白在皮层细胞形成“搭档”，赋予这些细胞强大的分裂能力。因此，豆科植物能够在植物根表面形成特殊的“根瘤”结构，与根瘤菌共生固氮。
在攻克了百年难题之后，王二涛又开拓出一片新的研究领域。在研究植物如何识别菌根真菌共生过程中，他发现植物自有一套“信号识别系统”，能够精准地区分共生菌和病原菌。今年5月，相关研究成果在国际顶尖学术期刊《自然》上在线发表。
“这项研究属于意料之外，我们是在做这个大方向的研究时，发现了植物区分敌友微生物这个新领域，以前几乎没有人做，也没法做。”王二涛说，他们团队未来将继续探索这片“无人区”。
令他们欣喜的是，这些基础研究成果已经得到转化应用。在他们发现水稻菌根因子受体的基础上，育种学家培育了高共生效率水稻新品种“赣菌稻1号”，实现化肥减量、产量不减；在解析豆科植物-根瘤共生机制的基础上，研发了“减肥增效”菌剂并应用于农业生产，未来有望每年减少7.7亿公斤氮肥使用，创造显著的经济效益。
这些成果为我们揭示了未来农业可持续发展的无限可能——人类不再需要依赖大量化肥提高农作物产量，而是让微生物们发挥作用，为植物提供营养，帮助抵抗病虫害。
这些可能性正在王二涛团队的努力下，一步步转化为现实。
上海市科委科普项目资助（项目编号：23DZ2305200）
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