科學家破譯豆科植物與根瘤菌的共生之謎

在自然界中，豆科植物的根部與根瘤菌通過共生形成的根瘤器官，堪稱一座“高效的天然氮肥工廠”。在這一共生關系中，植物為根瘤菌提供碳源，根瘤菌負責將空氣中的氮氣轉化為植物可利用形式的氮肥。

但是，豆科植物根系所處環境復雜，存在多種根瘤菌和其他細菌。植物如何精準識別并只允許“相匹配”的根瘤菌進入根部結瘤之謎，尚未完全破解。

此前研究發現，豆科植物根系會分泌一種叫作“類黃酮類化合物”的化學信號，它如同一把特制的“信號鑰匙”。而根瘤菌細胞內一個名為NodD的轉錄因子，其功能像一把“分子鎖”，能夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從而啟動共生程序。這一信號識別與激活過程被普遍認為是決定共生特異性的關鍵環節。然而，根瘤菌的“分子鎖”NodD如何特異性識別類黃酮類化合物這把“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。

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心團隊，成功解析了豌豆根瘤菌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，闡明了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。

研究發現，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——一個位于NodD蛋白的單體中，另一個位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結合構象在NodD所屬的轉錄調控因子家族中屬首次發現。

分析表明，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，卻不能適配像異黃酮和紫檀烷等其他類別的類黃酮類化合物。這從結構角度解析了根瘤菌NodD能夠特異性地被類黃酮類分子所結合激活的機制。

研究進一步比較苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD發現，盡管二者整體相似度高達80%，但它們對類黃酮類化合物的響應“偏好”不同。豌豆根瘤菌NodD主要響應黃烷酮/黃酮，而苜蓿根瘤菌主要響應查爾酮。研究通過區域交換實驗和點突變實驗鎖定了位于關鍵結構元件上的幾個關鍵氨基酸，正是這些區域的氨基酸殘基決定了根瘤菌對不同類黃酮的響應特異性。

科研人員通過將苜蓿根瘤菌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，并展現出與野生型苜蓿根瘤菌相似的結瘤固氮能力。這證明，正是這三個關鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異性識別。

豆科植物與根瘤菌之間為什么需要這種特異性？研究認為，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。

為此，它們演化出一套“雙重鎖鑰”機制：一方面，根瘤菌識別植物發出的獨特信號；另一方面，植物又能識別根瘤菌反饋的特異性信號。這種機制防止了多種豆科植物相鄰生長時發生配對混淆。

這項成果不僅解答了豆科植物與根瘤菌如何通過類黃酮與NodD實現信號特異識別這一科學問題，更開辟了人工設計高效固氮體系的新路徑。

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，更能為推動水稻、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理論基礎。

相關研究成果發表在《科學》（Science）上。