IT之家 1 月 10 日消息，在自然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿）的根部与根瘤菌通过共生形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工厂（植物为根瘤菌提供碳源，根瘤菌负责将空气中的氮气转化为植物可利用形式的氮肥）。
但是，豆科植物根系所处环境复杂，存在着多种根瘤菌和其他细菌，植物是如何精准识别并只允许“相匹配”的根瘤菌进入根部结瘤的呢？
中国科学院分子植物科学卓越创新中心（CEMPS）张余及 Jeremy Murray 团队合作，首次成功解析了豌豆根瘤菌 NodD 蛋白与类黄酮类化合物（橙皮素）结合的高分辨复合物晶体结构，解析了 NodD 识别类黄酮类化合物的机制，并揭示 NodD 中决定信号识别特异性的关键结构元件。相关成果已于 1 月 9 日发表于《科学》。
研究表明，豆科植物根系会分泌一种叫做“类黄酮类化合物”的化学信号，它如同一把特制的“信号钥匙”。而根瘤菌细胞内一个名为 NodD 的转录因子，就像“分子锁”，能够识别与之匹配的“信号钥匙”，从而启动共生程序。这一信号识别与激活过程被普遍认为是决定共生特异性的关键环节。然而，根瘤菌的“分子锁”NodD 如何特异性识别类黄酮类化合物这把“化学信号钥匙”，一直是该领域备受关注且尚未完全阐明的科学问题。
研究发现，豌豆根瘤菌 NodD 蛋白的配体结合结构域通过两个蛋白口袋识别橙皮素 —— 一个结合口袋位于 NodD 蛋白的单体中，一个位于 NodD 蛋白的二聚界面上，这种结合构象在已知的 NodD 所在的转录调控因子家族中尚属首次发现。
进一步分析表明，NodD 的三个关键结构元件，形成识别配体的“结合口袋”，能适配橙皮素等黄酮分子，却不能适配像异黄酮和紫檀烷等其他类别的类黄酮类化合物。这从结构的角度解释了为什么根瘤菌 NodD 能够特异性地被类黄酮类分子所结合激活。
研究人员进一步比较了苜蓿根瘤菌 NodD 与豌豆根瘤菌 NodD，尽管二者整体相似度高达 80%，但是它们对类黄酮类化合物的响应“偏好”非常不同。豌豆根瘤菌 NodD 主要响应黄烷酮 / 黄酮，而苜蓿根瘤菌主要响应查尔酮。通过区域交换实验和大量的点突变实验，研究人员锁定了位于关键结构元件上的几个关键氨基酸，正是这些区域的氨基酸残基决定了根瘤菌对不同类黄酮的响应特异性。
研究团队通过将苜蓿根瘤菌 NodD 中的三个关键激活域“移植”到豌豆根瘤菌 NodD 上，成功构建出一个“嵌合体”NodD 蛋白，改造之后的豌豆根瘤菌 NodD 也能响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，并展现出和野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力。这直接证明了正是这三个关键激活域，决定了豆科植物与根瘤菌之间的特异性识别。
那么，豆科植物与根瘤菌之间为什么需要这种特异性呢？研究人员认为，这种精确识别源于数百万年在重叠栖息地中的协同进化。为了确保成功建立共生关系，每种豆科植物都需要准确识别更适合自己的根瘤菌菌株。它们通过一种相互的 " 双重锁-钥 " 机制实现这一目标：根瘤菌识别植物发出的独特信号，而植物则识别根瘤菌反馈的特异性信号。这种机制有效防止了多种豆科植物相邻生长时发生配对混淆。
这项成果不仅解答了豆科植物与根瘤菌如何通过类黄酮与 NodD 实现信号特异识别这一科学问题，更开辟了人工设计高效固氮体系的新路径。未来通过精准改造 NodD 蛋白，不仅能定制适应特定作物的高效固氮菌株，实现“一对一”靶向固氮，更为推动水稻、玉米等非豆科作物建立类似共生关系，减少农业对化肥的依赖打下了坚实的理论基础。
分子植物科学卓越创新中心博士后阮怡婷与博士后董尚志（已出站）为本研究论文的共同第一作者，Jeremy D. Murray 研究员和张余研究员为共同通讯作者。该中心副研究员姜苏育、实验师王裔晟、博士研究生吴晓天、庄雨欣、吴文娟（已毕业），牛津大学博士后 Alison K. East 和 Philip S. Poole 教授以及上海师范大学许萍副教授共同参与了此项研究工作。该研究得到中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、科技部重点研发计划、国家自然科学基金外国资深学者研究基金项目、上海市尚思探索学者、上海植物种质资源工程技术研究中心等资助。
IT之家附论文地址：
https://doi.org/10.1126/science.aec3061
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