氮肥可以养活世界不断增长的人口，但氮肥成本高昂，破坏生态系统，制造氮肥需要大量能源。然而，一些植物已经进化出在细菌的帮助下自己制造氮的能力。一项新研究有助于解释它们是如何做到这一点的，它们不是一次，而是多次。

该项研究的主要作者 Heather Rose Kates 在佛罗里达自然历史博物馆担任博士后研究员期间进行了这项研究，据她介绍，这对于希望培育能够自行获取氮的新植物的研究人员来说是至关重要的信息。

“育种和作物改良工作通常只关注单一的模式物种，这可能会忽略性状的进化背景，”她说。这项研究表明，我们不应该为了方便而学习一个物种如何产生氮的所有知识，而应该测试几种不同的遗传途径。“只关注你能想到的性状的一个版本可能会限制在其他植物中改造该性状的有效性。”

氮是地球上所有生命所必需的元素，因此很难获得。尽管大气中氮含量丰富，但自然环境中对氮的激烈竞争往往意味着没有足够的氮可供使用。我们呼吸的空气中高达 78% 的氮以分子形式锁住，很少有生物能直接利用。地球上唯一能够“固定”大气中氮的细胞是被称为固氮菌的微生物。

一些植物利用了这一点。大约有 17,000 种植物与固氮菌形成互利关系。当这些微生物感染根部时，植物会在根部周围形成球状结构，称为根瘤。细菌在根部吸收糖分以生长，作为回报，它们为宿主植物提供可用形式的氮。

这种互利关系主要限于一组密切相关的植物，即固氮进化枝——但即使在这些相关物种中，这种特性也只是间歇性出现。大多数具有固氮共生关系的植物都是豆科植物，或豆科植物，该科包括大豆、花生和三叶草等作物。少数可以形成根瘤的非豆科植物包括桦树科、蔷薇科和葫芦科的亲属。

结瘤是一个复杂的遗传过程，因此许多研究人员推测这种特性在这种密切相关的植物中只进化了一次。如果这是真的，这可能意味着植物的遗传密码中有一个开关，它也可能开启缺乏这种特性的物种的结瘤能力，例如许多农作物。

“当一种特性涉及很多基因，并且植物在能量方面消耗很大时，我们知道形成根瘤就是这样，我们预计会有强大的选择压力阻止该特性的进化。因此，在这种情况下，单一起源假说是有道理的，”凯特斯说。

凯特斯和她的同事通过利用遗传数据重现结瘤植物及其近亲的进化史来测试这一想法。他们分析了近 15,000 个物种的 DNA 序列，并生成了迄今为止从头构建的最大的此类或任何类群的生命之树。

之前确定结瘤次数的努力因需要分析的数据量太大而受阻。该团队研究了如此多的植物标本，最终开发出了一种全新的方法来组织这些信息。

“我们基本上花了两年时间收集来自固氮进化枝的 15,000 个组织样本，对其进行测序并构建树状图，”该研究的共同作者、佛罗里达博物馆生物多样性信息学馆长罗伯特·古拉尼克 (Robert Guralnick) 说。

许多标本也很古老，是近一个世纪前收集的，这意味着它们的 DNA 经常被降解或损坏。“但我们的提取和测序方法对这些问题进行了调整，”古拉尼克说。“我们对从样本中恢复的可用遗传数据的质量和数量普遍很高感到非常惊讶。”

他们的研究结果表明，结瘤进化分为两个步骤。该群体的祖先开发了产生结瘤所需的基本遗传工具包，并将其传递给其所有后代。

但需要额外的指令来启动机器并真正让根瘤生长。这第二个特性进化了不止一次，而是至少 16 次。而且，一个物种获得了生长根瘤的能力并不意味着它们会永远保持这种能力;该组中的植物在 10 个不同的场合失去了根瘤。

这些发现表明，结瘤并不是由单一的基因开关控制的，而是由某种更类似于复杂断路器的东西控制的。植物要想长出结瘤，必须打开多个开关。