在天然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿等）的根部与根瘤菌通过共生形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工厂。在该器官中，植物为根瘤菌提供碳源，根瘤菌掌管将空气中的氮气转化为植物可利用大局的氮肥。但是豆科植物根系所处环境复杂，存在着多种根瘤菌和其他细菌，植物是若何精准鉴别并只允许“相匹配”的根瘤菌进入根部结瘤的呢？
北京功夫2026年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Science上在线颁发题为“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分子机造钻研）”的科研论文。
该钻研初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鉴别类黄酮类化合物的机造，并揭示NodD中决定信号鉴别特异性的关键结构元件。
多年钻研批注，豆科植物根系会排泄一种叫做“类黄酮类化合物”的化学信号，它如统一把特造的“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”，可能鉴别与之匹配的“信号钥匙”，从而启动共生法式。这一信号鉴别与激活过程被普遍以为是决定共生特异性的关键环节。然而，根瘤菌的“分子锁”NodD若何特异性鉴别类黄酮类化合物这把“化学信号钥匙”，一向是该领域备受关注且尚未齐全说明的科学问题。
这项最新钻研发现，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配体结合结构域通过两个蛋白口袋鉴别橙皮素——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地点的转录调控因子家族中尚属初次发现。进一步分析批注，NodD的三个关键结构元件，形成鉴别配体的“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此外类黄酮类化合物。这从结构的角度诠氏缢为什么根瘤菌NodD可能特异性地被类黄酮类分子所结合激活。
钻研人员进一步比力了苜蓿根瘤菌NodD与豌豆根瘤菌NodD，只管二者整体类似度高达80%，但是它们对类黄酮类化合物的响应“偏好”极度分歧。豌豆根瘤菌NodD重要响应黄烷酮/黄酮，而苜蓿根瘤菌重要响应查尔酮。通过区域互换尝试和大量的点突变尝试，钻研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分歧类黄酮的响应特异性。
钻研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，刷新之后的豌豆根瘤菌NodD也能响应苜蓿根部门泌的类黄酮信号，并展示出和野生型苜蓿根瘤菌类似的结瘤固氮能力。这直接证了然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鉴别。
那么，豆科植物与根瘤菌之间为什么必要这种特异性呢？钻研人员以为，这种精确鉴别源于数百万年在沉叠栖身地中的协同进化。为了确保成功成立共生关系，每种豆科植物都必要正确鉴别更适合自己的根瘤菌菌株。它们互认的机造是根瘤菌鉴别植物发出的怪异信号，而植物也鉴别根瘤菌反馈的特异性信号，这有效预防了多种豆科植物相邻成长时产生配对混合。
这项成就不仅解答了豆科植物与根瘤菌若何通过类黄酮与NodD实现信号特异鉴别这一科学问题，更启发了人为设计高效固氮系统的新蹊径。将来通过精准刷新NodD蛋白，不仅能定造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、玉米等非豆科作物成立类似共生关系，削减农业对化肥的依赖打下理论基础。
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