中科院分子植物卓越中心发表《Science》

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Murray团队与张余团队合作在Science期刊上发表题为“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids”的研究成果。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。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。

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。