杰睿研究員（左）與張余研究員（右）在討論工作

1月9日凌晨，國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線發(fā)表了來(lái)自上?？茖W(xué)重要發(fā)現(xiàn)：中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心加拿大籍研究員杰睿與同事張余研究員合作，解開了困擾植物學(xué)界20多年的難題——他們破譯了豆科植物與根瘤菌之間共生配對(duì)密碼，還通過(guò)基因編輯方法，讓豌豆根瘤菌與苜蓿根部結(jié)成共生伙伴。

來(lái)到上海8年，55歲的杰睿已是二次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文。他說(shuō)：“只有在中國(guó)，我才能做出這么好的工作?！苯酉聛?lái)，他準(zhǔn)備通過(guò)更入研究，嘗試讓水稻、小麥等更多作物擁有“固氮工廠”。

解開豆科植物根與菌的共生密碼

自然界中，大豆、苜蓿等豆科植物根部能與根瘤菌共生，形成的“氮肥工廠”——根瘤器官。不過(guò)，科學(xué)一直不解的是，豆科植物只有兩萬(wàn)多種，而根瘤菌多達(dá)幾十萬(wàn)種，它們之間是如何對(duì)上“密碼”，選對(duì)共生伙伴的呢？

2017年，47歲的杰瑞米來(lái)到分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，決意潛心破解豆科植物的“固氮”奧秘。僅用4年，他就帶領(lǐng)研究組發(fā)現(xiàn)了豆科植物“固氮”的新調(diào)控機(jī)制，成果登上《科學(xué)》。

“我一直很好奇，豆科植物是如何與心儀的根瘤菌相互‘對(duì)暗號(hào)’的。”杰睿坦言，曾有不少同行嘗試弄明白這個(gè)問(wèn)題，均以失敗告終——瓶頸就在于，根瘤菌NodD的蛋白很難結(jié)晶，無(wú)法解析出其結(jié)構(gòu)。

在分子植物中心這個(gè)國(guó)際公認(rèn)的植物科學(xué)基礎(chǔ)研究地，杰睿得到了各方水平支持。張余是結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域的“頂手”，他的博士后、論文共同一作者董尚志嘗試了多種辦法，終于獲得了NodD蛋白的質(zhì)量晶體。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素復(fù)合物的結(jié)構(gòu)示意圖

他們把樣品送往上海光源，很快就解析出蛋白結(jié)構(gòu)——瓶頸一旦突破，鋼絞線研究進(jìn)度即刻快進(jìn)。原來(lái)，根瘤菌的NodD蛋白有三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，形成識(shí)別配體的“結(jié)合口袋”。它們?nèi)缤话焰i，只有來(lái)自植物根部的特定類黃酮分子才能像鑰匙一樣，打開這把鎖，激活NodD——即使兩種豆科植物相鄰生長(zhǎng)，根瘤菌也不會(huì)搞混“共生伙伴”。

“交換舞伴”有望讓水稻玉米也能固氮

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了苜蓿根瘤菌和豌豆根瘤菌的NodD，盡管兩者相似度達(dá)80%，但它們對(duì)類黃酮“鑰匙”響應(yīng)偏好為不同。在他們?cè)O(shè)計(jì)的精巧實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)苜蓿根瘤菌的關(guān)鍵“鎖芯”移植給豌豆根瘤菌的NodD后，豌豆根瘤菌NodD也能響應(yīng)苜蓿根部分泌的類黃酮信號(hào)，并展現(xiàn)出與野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力。

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

“其實(shí)，根瘤菌NodD基因、類黃酮信號(hào)分子早在幾十年前就被發(fā)現(xiàn)?！敝袊?guó)科學(xué)院院士、植物卓越創(chuàng)新中心主任韓斌說(shuō)，NodD基因就是其師早克隆出來(lái)的。

如此經(jīng)典而古老的領(lǐng)域，為何今天仍能取得新突破？杰睿將此歸功于上海的綜合科研環(huán)境，尤其是分子植物中心的多學(xué)科交叉氛圍。論文共同一作者阮怡婷提到，無(wú)論遇到什么難題，不出中心就能找到一同破題的合作伙伴，加上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支撐，探索進(jìn)程大大加速。

“這還只是一步，豆科植物與根瘤菌的相互識(shí)別，還有更多謎團(tuán)要解。”杰睿將根與菌的共生形容成一對(duì)“共舞的伴侶”，如今團(tuán)隊(duì)初窺到了“交換舞伴”的路徑，后續(xù)將通過(guò)基因編輯等手段改造NodD蛋白，開辟人工設(shè)計(jì)固氮體系的新路徑。未來(lái)，或許可讓水稻、玉米等非豆科作物也擁有自己的“固氮工廠”，減少農(nóng)業(yè)對(duì)化肥的依賴。

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