中國科學院分子植物科學卓越創新中心研究員杰睿（Jeremy Murray）團隊與張余團隊合作，首次成功解析了豌豆根瘤菌轉錄因子NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素）結合的高分辨復合物晶體結構，解析了NodD識別類黃酮類化合物的機制，并揭示NodD中決定信號識別特異性的關鍵結構元件，開辟了人工設計高效固氮體系的新路徑。1月9日，相關研究成果發表于《科學》。
在自然界中，豆科植物的根部與根瘤菌通過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，豆科植物根系會分泌一種叫做“類黃酮類化合物”的化學信號，它如同一把特制的“信號鑰匙”。NodD就像“分子鎖”，能夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從而啟動共生程序。然而，根瘤菌的“分子鎖”如何特異性識別“化學信號鑰匙”，一直是該領域備受關注且尚未完全闡明的科學問題。
研究團隊發現，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結合結構域通過兩個蛋白口袋識別橙皮素，其中一個結合口袋位于NodD蛋白的單體中，一個位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結合構象在已知的NodD所在的轉錄調控因子家族中尚屬首次發現。NodD的三個關鍵結構元件，形成識別配體的“結合口袋”，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，闡明了根瘤菌NodD能夠特異性被類黃酮類分子結合激活的結構機理。
研究團隊進一步比較了苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD，前者主要響應查爾酮，后者則主要響應黃烷酮/黃酮。研究人員鎖定了位于關鍵結構元件上的幾個關鍵氨基酸，并通過將苜蓿根瘤菌NodD中的三個關鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構建出一個“嵌合體”NodD蛋白。改造之后的豌豆根瘤菌NodD也能響應苜蓿根部分泌的類黃酮信號，并展現出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結瘤固氮能力。
研究團隊認為，這種精確識別源于數百萬年在重疊棲息地中的協同進化。為了確保成功建立共生關系，每種豆科植物都需要準確識別更適合自己的根瘤菌菌株。它們通過一種相互的“雙重鎖-鑰”機制實現該目標，即根瘤菌識別植物發出的獨特信號，而植物則識別根瘤菌反饋的特異性信號，由此防止了多種豆科植物相鄰生長時發生配對混淆。
研究團隊表示，未來通過精準改造NodD蛋白，不僅能定制適應特定作物的高效固氮菌株，實現“一對一”靶向固氮，更為推動水稻、玉米等非豆科作物建立類似共生關系，減少農業對化肥的依賴打下了堅實的理論基礎。
相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.aec3061