小根突变或能让农作物“自我施肥”

这是奥胡斯大学分子生物学教授卡斯珀·勒克亚·安德森（Kasper Røjkjær Andersen）和西蒙娜·拉杜图尤（Simona Radutoiu）得出的结论。他们的新研究揭示了一个重要的生物学线索，有望帮助减少农业对人工肥料的严重依赖。植物生长需要氮元素，大多数农作物只能通过肥料获取氮。而包括豌豆、三叶草和豆类在内的一小部分植物无需额外氮肥就能生长，它们通过与特定细菌形成共生关系，将空气中的氮转化为植物可吸收的形式。揭开自然固氮作用的奥秘全球科学家正致力于研究这种自然固氮能力的遗传和分子基础，希望最终能将这一特性引入小麦、大麦和玉米等主要农作物中。若能实现，这些作物将能自行供氮。这一转变将减少对合成肥料的需求，目前合成肥料的生产约占全球能源消耗的2%，并产生大量二氧化碳排放。奥胡斯大学的研究人员现已发现，植物受体的微小变化会使其暂时关闭免疫防御，与固氮细菌建立合作关系。植物如何在防御与合作间抉择植物依靠细胞表面的受体感知土壤中微生物释放的化学信号。有些细菌会释放化合物，向植物发出“敌人”信号，促使植物启动防御；另一些则发出“朋友”信号，表示能提供营养。豌豆、豆类和三叶草等豆科植物会允许特定细菌进入根部。在根组织内，细菌将大气中的氮转化并与植物共享。这种被称为共生的关系，正是豆科植物无需人工肥料就能生长的原因。奥胡斯大学的研究人员发现，这种能力很大程度上受两个氨基酸的影响，这两个氨基酸就像是根蛋白中的小型“构建模块”。西蒙娜·拉杜图尤表示：“这是一项显著且重要的发现。”这种根蛋白充当“受体”，负责解读细菌发出的信号，决定植物是启动免疫系统（警报）还是接纳细菌（共生）。研究团队在受体蛋白中发现了一个小区域，并将其命名为“共生决定因子1（Symbiosis Determinant 1）”。该区域就像一个开关，控制植物接收何种内部信号。通过仅修改这个开关中的两个氨基酸，研究人员将原本触发免疫反应的受体转变为启动与固氮细菌共生关系的受体。拉杜图尤解释道：“我们已证明，两个微小的变化就能使植物在关键节点改变行为——从排斥细菌转为与其合作。”将潜力拓展至主要粮食作物在实验室实验中，研究人员成功在百脉根（Lotus japonicus）中实现了这种改变。随后他们在大麦中测试了这一概念，发现该机制同样有效。卡斯珀·勒克亚·安德森说：“我们现在能够从大麦中提取受体，对其进行微小修改，固氮作用就能重新发挥效果，这非常了不起。”其长期潜力巨大。如果这些修改能应用于其他谷物，最终或许能培育出像豆科植物一样可自主固氮的小麦、玉米或水稻。拉杜图尤指出：“但我们首先必须找到其他关键要素。”“如今只有极少数作物能进行共生。如果我们能将其扩展到广泛种植的作物上，就能真正改变氮肥的需求量。”