魏路 科技日报记者 王春
在大自然中，大豆、苜蓿等豆科植物的根系与根瘤菌互利共生：根瘤菌将空气中的氮气转化为植物可吸收的养分，豆科植物则为根瘤菌提供碳源。那么，豆科植物与根瘤菌为何能建立如此完美的共生关系？其关键竟是一场精准的“身份验证”。1月9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，在国际权威期刊《科学》上在线发表突破性研究成果。该研究首次在分子层面阐明根瘤菌与豆科植物之间通过类黄酮化合物实现特异性识别的核心机制。
多年研究表明，豆科植物根部会分泌一种叫作“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。
“这是一个古老但重要的科学问题，其主要障碍在于高质量蛋白晶体的缺失使得结构生物学研究无法推进，这是过去20年未能突破的核心原因。”分子植物卓越中心主任、中国科学院院士韩斌表示，Jeremy Murray团队与张余团队的合作体现了学科交叉与平台支持的重要性，这是突破性研究的保障。借助该中心内部资源和上海同步辐射光源等国家级大科学设施，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。
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类黄酮类化合物——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”，能适配类橙皮素等黄酮分子，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蛋白能够特异性地被类黄酮类分子所结合激活。”Jeremy Murray说。
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，我们通过精准改造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。”张余说。
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