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中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員杰睿·默里團(tuán)隊(duì)與研究員張余團(tuán)隊(duì)合作，首次成功解析了豌豆根瘤菌轉(zhuǎn)錄因子NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素）結(jié)合的高分辨復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，以及NodD識(shí)別類黃酮類化合物的機(jī)制，并揭示了NodD中決定信號(hào)識(shí)別特異性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，開辟了人工設(shè)計(jì)高效固氮體系的新路徑。相關(guān)研究成果1月9日發(fā)表于《科學(xué)》。

在自然界中，豆科植物的根部與根瘤菌通過(guò)共生互作形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工廠。已有研究表明，豆科植物根系會(huì)分泌一種叫“類黃酮類化合物”的化學(xué)信號(hào)，它如同一把特制的信號(hào)鑰匙。而NodD就像“分子鎖”，能夠識(shí)別與之匹配的“信號(hào)鑰匙”，從而啟動(dòng)共生程序。然而，根瘤菌的“分子鎖”如何特異性識(shí)別化學(xué)“信號(hào)鑰匙”，一直是該領(lǐng)域備受關(guān)注且尚未完全闡明的科學(xué)問(wèn)題。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域通過(guò)兩個(gè)蛋白口袋識(shí)別橙皮素，其中一個(gè)結(jié)合口袋位于NodD蛋白的單體中，另一個(gè)位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結(jié)合構(gòu)象在已知的NodD所在的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子家族中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。NodD的3個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件形成識(shí)別配體的“結(jié)合口袋”，能適配橙皮素等黃酮分子，卻不能適配其他類別的類黃酮類化合物。這闡明了根瘤菌NodD能夠特異性被類黃酮類分子結(jié)合激活的結(jié)構(gòu)機(jī)理。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD，前者主要響應(yīng)查爾酮，后者則主要響應(yīng)黃烷酮/黃酮。研究人員鎖定了位于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件上的幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸，并通過(guò)將苜蓿根瘤菌NodD中的3個(gè)關(guān)鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構(gòu)建出一個(gè)“嵌合體”NodD蛋白。改造后的豌豆根瘤菌NodD也能響應(yīng)苜蓿根部分泌的類黃酮信號(hào)，并展現(xiàn)出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種精確識(shí)別源于數(shù)百萬(wàn)年在重疊棲息地中的協(xié)同進(jìn)化。為了確保成功建立共生關(guān)系，每種豆科植物都需要準(zhǔn)確識(shí)別出更適合的根瘤菌菌株。它們通過(guò)一種相互的“雙重鎖-鑰”機(jī)制實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，即根瘤菌識(shí)別植物發(fā)出的獨(dú)特信號(hào)，而植物則識(shí)別根瘤菌反饋的特異性信號(hào)，由此防止多種豆科植物相鄰生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生配對(duì)混淆。

研究團(tuán)隊(duì)表示，未來(lái)通過(guò)精準(zhǔn)改造NodD蛋白，不僅能定制適應(yīng)特定作物的高效固氮菌株，實(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”靶向固氮，更為推動(dòng)水稻、玉米等非豆科作物建立類似共生關(guān)系，減少農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的依賴打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aec3061

(原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 2026-01-12 第1版 要聞)