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

在自然界中，豆類植物與根瘤菌的共生關(guān)系可以用高效環(huán)保來形容——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植物一樣固氮，化學(xué)基肥的使用將大大減少，這對可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。

分子密碼

經(jīng)過多年的研究，中國科學(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隊發(fā)現(xiàn)，植物進化出一個巧妙的感知系統(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)胞時的免疫反應(yīng)強度，既防止了過多的免疫反應(yīng)阻礙共生過程，又保證了植物不會被微生物混淆。

這一次，他們發(fā)現(xiàn)豆類植物有一個巧妙的“信號識別系統(tǒng)”，可以準(zhǔn)確識別根瘤菌。當(dāng)根瘤菌靠近植物時，會分泌一種信號分子“結(jié)瘤因素”。植物細(xì)胞表面的受體蛋白 MtNFP 和 MtLYK3 只有這個信號才能被識別， MtLYK3 具有“激活開關(guān)”的功能。

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

智能門禁

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

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

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