摘要： 豆科植物與根瘤菌的共生固氮系統(tǒng)是氮肥工廠。

　　1月9日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心Jeremy Murray團(tuán)隊(duì)與張余團(tuán)隊(duì)合作在國際期刊Science上在線發(fā)表題為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃酮類化合物特異結(jié)合激活根瘤菌NodD分子機(jī)制研究）”的科研論文。該研究次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(jié)合的分辨復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，解析了NodD識別類黃酮類化合物的機(jī)制，并揭示NodD中決定信號識別特異的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件。

　　豆科植物與根瘤菌的共生固氮系統(tǒng)是氮肥工廠，而二者的識別是共生關(guān)系建立的核心。豆科植物根系分泌的類黃酮作為“信號鑰匙”，被根瘤菌轉(zhuǎn)錄因子NodD這把“分子鎖”識別，從而啟動共生程序。這一過程被認(rèn)為是決定共生特異的關(guān)鍵，但NodD如何特異識別類黃酮一直是未解之謎。

　　嵌合體NodD能夠互補(bǔ)苜蓿根瘤菌NodD突變體，恢復(fù)其在苜蓿上的固氮結(jié)瘤能力

　　研究發(fā)現(xiàn)，豌豆根瘤菌NodD的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域通過兩個口袋識別橙皮素：一個位于單體內(nèi)部，另一個位于二聚體界面，這種結(jié)合模式在該轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子族中為次發(fā)現(xiàn)。進(jìn)一步分析表明，NodD的三個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件構(gòu)成識別配體的“結(jié)合口袋”，能適配橙皮素等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮和紫檀烷等其他類別的類黃酮類化合物。這從結(jié)構(gòu)的角度解釋了為什么根瘤菌NodD能夠特異地被類黃酮類分子所結(jié)合激活。

　　通過比較苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD，研究人員發(fā)現(xiàn)盡管二者相似度達(dá)80%，但對黃酮類化合物的響應(yīng)“偏好”非常不同：前者主要響應(yīng)查爾酮，錨索后者主要響應(yīng)黃烷酮/黃酮。區(qū)域交換和點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)鎖定了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件上的特定氨基酸殘基，證實(shí)這些區(qū)域決定了根瘤菌對不同類黃酮的響應(yīng)特異。研究團(tuán)隊(duì)將苜蓿根瘤菌NodD的三個關(guān)鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD中，成功構(gòu)建出“嵌合體”NodD蛋白。改造后的豌豆根瘤菌不僅能響應(yīng)苜蓿分泌的類黃酮信號，還展現(xiàn)出與野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力，直接證明了這三個結(jié)構(gòu)域是決定共生特異的核心。

　　研究人員指出，這種精確識別源于豆科植物與根瘤菌在長期重疊棲息地中的協(xié)同進(jìn)化。通過“雙重鎖-鑰”機(jī)制，植物與根瘤菌相互識別對方的特異信號，確保建立的共生關(guān)系，有防止了多種豆科植物相鄰生長時發(fā)生配對混淆。

　　這項(xiàng)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(shí)現(xiàn)信號特異識別這一科學(xué)問題，更開辟了人工設(shè)計固氮體系的新路徑。未來通過改造NodD蛋白，不僅能定制適應(yīng)特定作物的固氮菌株，實(shí)現(xiàn)“一對一”靶向固氮，更為動水稻、玉米等非豆科作物建立類似共生關(guān)系，減少農(nóng)業(yè)對化肥的依賴打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

  在中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所實(shí)驗(yàn)室，楊建剛研究員在做人工合成己糖實(shí)驗(yàn)。

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