锄禾日当午，汗滴禾下土。种粮要施肥，这个道理谁都懂。
不过，凡事过犹不及。磷肥氮肥用多了，水源污染了，环境变糟了……农业生产，也无法可持续了。
如何提高无机营养的吸收率？科学家发现，植物比人们想象的更聪明：除了根部吸收营养外，还可以通过土壤微生物的协助，高效地获取营养。两者互利互惠，和谐共处。
长期以来，人们信奉“高投入=高产出”，对植物“好朋友”的认识远远不够。中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员带领的团队，自2013年回国以来，就一头扎进了植物—微生物共生研究领域，成果亦如金黄的麦穗般丰硕，并斩获了2024年度上海市自然科学奖一等奖。
两次颠覆传统认知的发现
菌根共生，好理解。生活中也常见这样的“友谊”：花中“四君子”之一的兰花，其种子必须在含有菌根真菌的基质中才能萌发；名贵中药天麻，也需要共生真菌的帮助才能繁殖。
传统理论认为，糖是植物传递给丛枝菌根真菌的碳源。王二涛团队创新性地融合分子生物学与代谢流技术，发现脂肪酸——也就是人们熟知的“油”，才是植物传递给丛枝菌根真菌的主要碳源。
这一发现在2017年发表于国际顶尖期刊《科学》上，彻底颠覆了菌根共生领域以“糖营养”为核心的传统碳源营养交换观念。“这一成果帮助科学家们解决了菌根制剂产业中‘菌种无法体外培养’的技术瓶颈，为菌根真菌应用于农业生产奠定了坚实的基础。”王二涛告诉新民晚报记者。
菌根共生在帮助植物高效吸收土壤中磷、氮等营养的同时，会消耗植物光合作用产生的碳源。20世纪70年代，研究人员就发现随着环境中磷浓度升高，菌根共生效率被显著抑制。这种现象被命名为菌根共生的“自我调节”，说明植物有一套自己的“监控系统”控制菌根共生，但其分子机制未明。
王二涛带领团队首次绘制出水稻—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。该领域半个世纪前提出的“菌根共生如何进行‘自我调节’”这一科学问题被中国科学家破解。
“研究结果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。”王二涛说，“也为通过调控菌根共生途径培育提高磷酸盐利用效率的作物新品种提供了坚实基础。”
中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究员
“氮加工厂”原来是这么回事
豆科植物通过与根瘤细菌共生，在植物根皮层形成特殊的“根瘤”结构，是早早就被人们熟知的。但是，“为什么只有豆科植物能结瘤固氮”的难题，一直困扰着该领域的研究者——这关系到能否将这对“高效组合体”推广到非豆科植物。
研究团队通过实验发现，在豆科植物进化过程中，豆科植物干细胞关键基因SCR在皮层细胞表达，另一个干细胞关键转录因子SHR在维管束表达后移动到皮层细胞，两者结合产生“神奇魔法”——使豆科植物皮层细胞拥有了分裂的潜能。由此，豆科植物与非豆科植物走上了不同的命运。
更令科学家们兴奋的是，当SHR-SCR干细胞模块植入非豆科植物拟南芥和水稻皮层细胞时，这些皮层细胞同样具有了分裂能力。该发现表明，豆科植物的皮层细胞获得了SHR-SCR干细胞程序模块可能是豆科植物共生结瘤固氮的前提条件。
“这项工作发现了控制豆科植物和根瘤共生固氮的关键分子模块，加深了人们对共生固氮的理解，也为非豆科植物皮层细胞命运的改造奠定了基础。”王二涛表示，“为今后减少作物对氮肥的依赖提供了新思路。”
他兴奋地向记者描述着未来农业的场景：当你驱车驶过一望无际的金黄稻田，会惊讶地发现这里看不到大量化肥使用的痕迹；取而代之的是一种自给自足、与环境和谐共生的生态农田——饱含活力的土壤中，微生物们在作物根部忙忙碌碌，为植物输送养分，甚至帮助植物抵抗病虫害！
“这样的场景正愈发接近现实。”王二涛透露，育种学家已培育出高菌根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，有望每年减少7.7亿公斤氮肥使用。
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