上海科学家破解20多年植物学难题，水稻玉米有望拥有“固氮工厂”

杰睿研究员（左）与张余研究员（右）在讨论工作

1月9日凌晨，国际权威学术期刊《科学》在线发表了来自上海科学家重要发现：中国科学院分子植物科学卓越创新中心加拿大籍研究员杰睿与同事张余研究员合作，解开了困扰植物学界20多年的难题——他们破译了豆科植物与根瘤菌之间共生配对密码，还通过基因编辑方法，让豌豆根瘤菌与苜蓿根部结成共生伙伴。

来到上海8年，55岁的杰睿已是第二次在《科学》杂志上发表论文。他说：“只有在中国，我才能做出这么好的工作。”接下来，他准备通过更深入研究，尝试让水稻、小麦等更多作物拥有“天然固氮工厂”。

解开豆科植物根与菌的共生密码

自然界中，大豆、苜蓿等豆科植物根部能与根瘤菌共生，形成高效的天然“氮肥工厂”——根瘤器官。不过，科学家一直不解的是，豆科植物只有两万多种，而根瘤菌多达几十万种，它们之间是如何对上“密码”，选对共生伙伴的呢？

2017年，47岁的杰瑞米来到分子植物科学卓越创新中心，决意潜心破解豆科植物的“固氮”奥秘。仅用4年，他就带领研究组发现了豆科植物“固氮”的新调控机制，成果登上《科学》。

“我一直很好奇，豆科植物是如何与心仪的根瘤菌相互‘对暗号’的。”杰睿坦言，曾有不少同行尝试弄明白这个问题，均以失败告终——瓶颈就在于，根瘤菌NodD的蛋白很难结晶，无法解析出其结构。

在分子植物中心这个国际公认的植物科学基础研究高地，杰睿得到了各方高水平支持。张余是结构生物学领域的“顶尖高手”，他的博士后、论文共同第一作者董尚志尝试了多种办法，终于获得了NodD蛋白的高质量晶体。

豌豆根瘤菌NodD蛋白与橙皮素复合物的结构示意图

他们把样品送往上海光源，很快就解析出蛋白结构——瓶颈一旦突破，研究进度即刻快进。原来，根瘤菌的NodD蛋白有三个关键结构元件，形成识别配体的“结合口袋”。它们如同一把锁，只有来自植物根部的特定类黄酮分子才能像钥匙一样，打开这把锁，激活NodD——即使两种豆科植物相邻生长，根瘤菌也不会搞混“共生伙伴”。

“交换舞伴”有望让水稻玉米也能固氮

研究团队进一步比较了苜蓿根瘤菌和豌豆根瘤菌的NodD，尽管两者相似度高达80%，但它们对类黄酮“钥匙”响应偏好极为不同。在他们设计的精巧实验中，当苜蓿根瘤菌的关键“锁芯”移植给豌豆根瘤菌的NodD后，豌豆根瘤菌NodD也能响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，并展现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力。

嵌合体NodD能够互补苜蓿根瘤菌NodD突变体，恢复其在苜蓿上的固氮结瘤能力

“其实，根瘤菌NodD基因、类黄酮信号分子早在几十年前就被发现。”中国科学院院士、植物卓越创新中心主任韩斌说，NodD基因就是其导师最早克隆出来的。

如此经典而古老的领域，为何今天仍能取得新突破？杰睿将此归功于上海的综合科研环境，尤其是分子植物中心的多学科交叉氛围。论文共同第一作者阮怡婷提到，无论遇到什么难题，不出中心就能找到一同破题的合作伙伴，加上一流实验平台的支撑，探索进程大大加速。

“这还只是第一步，豆科植物与根瘤菌的相互识别，还有更多谜团要解。”杰睿将根与菌的共生形容成一对“共舞的伴侣”，如今团队初窥到了“交换舞伴”的路径，后续将通过基因编辑等手段精准改造NodD蛋白，开辟人工设计高效固氮体系的新路径。未来，或许可让水稻、玉米等非豆科作物也拥有自己的“固氮工厂”，减少农业对化肥的依赖。