科学家破解豆科植物与根瘤菌的共生密码，有望实现“一对一”靶向固氮

中国青年报客户端上海1月9日电（中青报·中青网记者王烨捷）今天，中国科学院分子植物科学卓越创新中心杰里米·默里团队与张余团队合作在国际权威期刊《科学》（《Science》）上在线发表题为“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（类黄酮类化合物特异性结合激活根瘤菌NodD分子机制研究）”的科研论文。该研究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。

杰里米·默里与张余。受访者供图

在自然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿）被科学家们视为研究植物共生固氮的重要植物。固氮，是指将空气中游离态的氮（氮气）转化为含氮化合物的过程。而氮元素对于作物产量有着重要作用。豆科植物的重要价值在于，其根部与根瘤菌通过共生互作形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工厂。根瘤器官是生长在豆科植物根部的一个个“小瘤子”，把这些“小瘤子”的形成、作用机制研究清楚，就有望帮助水稻、玉米等非豆科作物也能形成“小瘤子”并共生固氮，从而减少化肥的使用。

豆科植物根部的“小瘤子”里，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。过去多年的研究表明，豆科植物根系会分泌一种叫作“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。

这项研究发现，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。

豌豆根瘤菌NodD蛋白与橙皮素复合物的结构示意图。受访团队供图

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，更有望推动水稻、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。

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。受访团队供图

中国科学院分子植物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，杰里米·默里研究员和张余研究员为共同通讯作者。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。

来源：中国青年报客户端