記者從中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心獲悉，該中心科研團隊首次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白與類(lèi)黃酮類(lèi)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(lèi)黃酮類(lèi)化合物的機制，并揭示NodD中決定信號識別特異性的關(guān)鍵結構元件。該研究成果1月9日在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》在線(xiàn)發(fā)表。

在自然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿）的根部與根瘤菌通過(guò)共生形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工廠(chǎng)。在該器官中，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。豆科植物根系所處環(huán)境復雜，存在著(zhù)多種根瘤菌和其他細菌，植物是如何精準識別并只允許“相匹配”的根瘤菌進(jìn)入根部結瘤的呢？

研究人員發(fā)現，根瘤菌中的NodD蛋白如同一個(gè)精密的分子鎖，其結合口袋的形狀和關(guān)鍵氨基酸的排列，決定了它能被哪一種類(lèi)黃酮所激活。正是這些微小的結構差異，構成了不同豆科植物與其專(zhuān)屬根瘤菌伙伴之間識別的分子基礎。

進(jìn)一步研究發(fā)現，將苜蓿根瘤菌NodD1蛋白中負責信號識別激活的關(guān)鍵氨基酸，“移植”到豌豆根瘤菌NodD上后，包含改造的豌豆根瘤菌NodD的苜蓿根瘤菌竟能成功被苜蓿發(fā)出的類(lèi)黃酮信號所觸發(fā)，并展現出與野生型苜蓿根瘤菌相似的固氮能力。這個(gè)精巧的“分子嫁接”實(shí)驗，以最直接的方式證明：正是NodD蛋白上這幾個(gè)位置的氨基酸，如同鎖芯中的關(guān)鍵齒紋，決定了共生伙伴識別的特異性。

這項研究為構建廣譜宿主根瘤菌及高效人工固氮系統提供了重要理論依據。未來(lái)通過(guò)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(shí)現“一對一”靶向固氮，更為推動(dòng)水稻、玉米等非豆科作物建立類(lèi)似共生關(guān)系，減少農業(yè)化肥使用，打下了堅實(shí)的理論基礎。

（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）