科学通报 | 中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜团队评述植物高效共生固氮研究进展

近日，中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜团队在《科学通报》生物与信息技术赋能现代农业绿色发展专辑发表了题为“植物高效共生固氮研究进展”的综述文章，系统总结了植物共生固氮领域的最新研究进展。文章围绕豆科植物与根瘤菌共生关系的建立、高效固氮功能的维持、根瘤内营养交换与矿质元素转运，以及非豆科作物固氮工程化改造等关键方向进行了全面梳理，并对未来作物固氮性状改良和农业应用前景进行了展望。

氮素是植物生长发育和作物产量形成所必需的大量营养元素。现代农业生产长期依赖化学氮肥，但氮肥过量施用不仅造成资源浪费，还会引发土壤酸化、水体富营养化和温室气体排放等生态环境问题。如何减少农业生产对化学氮肥的依赖，构建绿色、低碳、可持续的养分供应体系，已成为全球农业科学领域的重要课题。自然界中，豆科植物与根瘤菌形成的共生固氮体系是固氮效率最高、固氮量最大的生物固氮模式之一，对维持生态系统氮循环和发展可持续农业具有重要意义。

文章指出，“高效共生固氮”并不是由单一指标决定的过程，而是植物与根瘤菌在特定遗传背景和环境条件下，通过精准识别、高效侵染、根瘤正常发育、类菌体有效分化以及碳氮代谢协调，最终实现较高氮固定量、较低资源消耗和显著宿主生长收益的综合性状。

在共生建立机制方面，文章系统阐述了豆科植物与根瘤菌之间的双向信号识别过程。豆科植物根系首先释放黄酮类信号分子，诱导根瘤菌合成并分泌结瘤因子；随后，植物细胞膜上的LysM（lysin motif）类受体激酶识别结瘤因子，启动核内钙振荡及下游共生信号通路，激活NIN（nodule inception）等关键转录因子，从而诱导根毛卷曲、侵染线形成和根瘤原基发育。文章还介绍了SHR-SCR（shortroot–scarecrow）干细胞模块在赋予豆科植物皮层细胞分裂潜能、启动根瘤器官发生中的核心作用，揭示了豆科植物能够形成根瘤的重要细胞发育基础。

在营养交换方面，文章重点比较了定型根瘤与不定型根瘤在氮同化和固定氮输出形式上的差异。不定型根瘤主要以谷氨酰胺和天冬酰胺等酰胺类物质作为氮输出形式，而定型根瘤主要通过尿囊素和尿囊酸等酰脲类物质进行长距离氮运输。文章指出酰脲型和酰胺型各有其进化背景和生理适应性, 未来人工固氮体系的构建可能需要综合借鉴两类模式的优势, 而不是简单复制某一种根瘤代谢模式。同时，文章还总结了氨基酸转运蛋白、蔗糖代谢、二羧酸盐供应以及铁、钼、铜、锌、镁、硫等矿质元素稳态调控在维持固氮酶活性和根瘤功能中的关键作用。

图1 不定型(a)与定型(b)根瘤中氮同化和转运模式图。

非豆科植物共生固氮改造是该领域的重要前沿。水稻、小麦、玉米等禾本科作物是全球粮食安全的核心支撑，但它们通常不能形成天然共生固氮体系。文章指出，非豆科植物固氮工程面临固氮酶氧敏感、共生信号识别缺失、类根瘤结构功能不完善、固氮产物转运效率低和田间稳定性不足等多重挑战。针对这些问题，文章总结了三类潜在策略：一是改造植物自身共生通路；二是优化固氮微生物功能，提高其耐氧性、固氮效率和宿主适配性；三是通过调控植物免疫和构建复合共生体系，提升固氮微生物在非豆科作物根系中的定殖能力和共生稳定性。

图2 非豆科植物共生固氮的改造策略

未来植物高效共生固氮研究将依托单细胞测序、空间转录组、基因编辑和合成生物学等前沿技术，进一步解析共生固氮的精细调控网络，挖掘保守共生模块与关键功能基因，并推动人工固氮体系从实验室机制探索走向田间应用。基础研究与工程化改造的深度融合，将有助于逐步降低作物生产对化学氮肥的依赖，为农业减氮增效、生态环境保护和粮食安全提供重要支撑。

中国科学院微生物研究所/山西农业大学孔照胜研究员为本文的通讯作者，博士后鲁良为本文的第一作者，中国科学院微生物研究所在读博士生樊仔慧和助理研究员张霞霞为论文写作、构思提供了帮助以及参与了论文校对。相关研究得到了国家自然科学基金重点项目（32230007）的资助。

文章信息

鲁良，樊仔慧，张霞霞，等.植物高效共生固氮研究进展. 科学通报, 2026.

https://www.sciengine.com/doi/10.1360/CSB-2026-0513.

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