豆類(lèi)植物不僅可以“熱情招待”根瘤菌獲得基肥，還可以堅(jiān)決抵抗微生物的入侵。是什么讓它如此“禮貌”地對(duì)待不同的微生物？這個(gè)懷疑小組的關(guān)鍵部分被上?？茖W(xué)家解決了。這一成果昨天半夜在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》上線公布。

在自然界中，豆類(lèi)植物與根瘤菌的共生關(guān)系可以用高效環(huán)保來(lái)形容——植物為根瘤菌提供住所(根瘤器官)和食物(光合物)，而根瘤菌則起到“固氮工廠”的作用，將空氣中植物不能直接使用的N2轉(zhuǎn)化為可吸收的銨態(tài)氮。如果大米、小麥等主要糧食作物也能像豆類(lèi)植物一樣固氮，化學(xué)基肥的使用將大大減少，這對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

分子密碼

經(jīng)過(guò)多年的研究，中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤的研究人員團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，植物進(jìn)化出一個(gè)巧妙的感知系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確區(qū)分共生微生物和微生物，體內(nèi)還有一個(gè)特殊的免疫抑制系統(tǒng)，可以準(zhǔn)確控制共生菌感染植物細(xì)胞時(shí)的免疫反應(yīng)強(qiáng)度，既防止了過(guò)多的免疫反應(yīng)阻礙共生過(guò)程，又保證了植物不會(huì)被微生物混淆。

這一次，他們發(fā)現(xiàn)豆類(lèi)植物有一個(gè)巧妙的“信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)”，可以準(zhǔn)確識(shí)別根瘤菌。當(dāng)根瘤菌靠近植物時(shí)，會(huì)分泌一種信號(hào)分子“結(jié)瘤因素”。植物細(xì)胞表面的受體蛋白 MtNFP 和 MtLYK3 只有這個(gè)信號(hào)才能被識(shí)別， MtLYK3 具有“激活開(kāi)關(guān)”的功能。

那信號(hào)是如何在植物細(xì)胞中傳遞的呢？研究小組發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞中的類(lèi)受體激酶蛋白 MtLICK1/2 起到了關(guān)鍵作用。 MtLYK3 “握手”，通過(guò)相互磷酸化激活共生信號(hào)通道，最終促進(jìn)植物形成根瘤器官，使根瘤菌進(jìn)入植物細(xì)胞共生固氮。

智能門(mén)禁

更加令人驚嘆的是，MtLICK1/2 不僅有助于植物“開(kāi)門(mén)迎客”，與根瘤菌共生，還有助于植物“關(guān)門(mén)御敵”，調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)。這種控制方法就像植物的智能門(mén)禁系統(tǒng)——它不僅可以識(shí)別朋友，還可以阻擋敵人。

MtLICK1/22在根瘤菌感染初期。 免疫反應(yīng)會(huì)迅速抑制，防止植物免疫系統(tǒng)“傷害”根瘤菌。共生關(guān)系建立后，可以準(zhǔn)確控制植物的免疫穩(wěn)定狀態(tài)，有效抵抗病原菌的感染。

這項(xiàng)研究不僅回答了豆類(lèi)植物如何與根瘤菌和諧相處的科學(xué)問(wèn)題，也為農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展帶來(lái)了新的希望。如果科學(xué)家能夠在小麥、大米等重要作物中“安裝”類(lèi)似的共生系統(tǒng)，糧食作物未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)基肥的“自給自足”，大大減少化肥的使用，促進(jìn)綠色農(nóng)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

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