综述：优化共生固氮的机遇与挑战

这篇综述系统探讨了豆科植物与根瘤菌（rhizobia）的共生固氮（SNF）机制及其农业应用潜力。文章指出，通过宿主-微生物信号（host-microbe signalling）、结瘤（nodulation）调控及新型育种技术，可优化SNF效率，但需克服豆科物种多样性与农业环境异质性等挑战。

　　

Highlights

豆科植物凭借与根瘤菌（rhizobia）的共生关系，成为农业系统中可持续氮素来源的关键。其根部形成的特殊器官——根瘤（nodule），通过共生固氮（SNF）将大气氮₂直接转化为可利用氮。遗传学研究揭示了豆科植物调控宿主-微生物互作（host-microbe interaction）、感染过程及根瘤发育的多层次机制。新兴育种技术为宿主和微生物双方面的SNF遗传改良提供了新机遇，但需针对不同物种和农业环境定制策略。

Abstract

豆科植物兼具经济价值与生态功能，其与根瘤菌的共生固氮系统在根瘤器官中高效运行。为平衡碳供给成本，植物通过根际信号（rhizosphere signalling）、感染调控及根瘤衰老等时空精细调控SNF。由于SNF演化于自然生态系统，与现代农业需求存在差异，利用基因编辑等新技术可针对性提升固氮效率。然而，物种多样性和环境适应性仍是实现农业应用的核心挑战。

关键科学问题

1. 宿主-微生物对话机制：豆科植物通过类黄酮等信号分子招募特定根瘤菌，而Nod因子（Nod factor）受体介导的感染过程决定共生效率。
2. 根瘤发育的遗传开关：结瘤自调控通路（AON）通过CLV1-like受体激酶限制过度结瘤，避免碳源耗竭。
3. 环境适应性瓶颈：土壤pH、磷含量等非生物胁迫会显著抑制SNF活性，需培育广适性品种。

技术突破方向

CRISPR-Cas9等基因编辑工具可精准修饰宿主结瘤相关基因（如NIN、NARK），或改造根瘤菌固氮酶（nitrogenase）活性。合成生物学策略则尝试将SNF模块导入非豆科作物，但需解决氧敏感性和能量供给难题。

未来挑战

跨学科合作需整合高通量表型组（phenomics）、微生物组（microbiome）分析和田间试验数据，以平衡SNF效率与作物产量目标。此外，政策法规对基因编辑作物的接受度将直接影响技术落地进程。