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在大自然中，大豆、苜蓿等豆科植物的根系與根瘤菌互利共生：根瘤菌將空氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物可吸收的養(yǎng)分，豆科植物則為根瘤菌提供碳源。那么，豆科植物與根瘤菌為何能建立如此完美的共生關(guān)系？其關(guān)鍵竟是一場(chǎng)精準(zhǔn)的“身份驗(yàn)證”。1月9日，中國(guó)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(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)》上在線發(fā)表突破性研究成果。該研究首次在分子層面闡明根瘤菌與豆科植物之間通過(guò)類黃酮化合物實(shí)現(xiàn)特異性識(shí)別的核心機(jī)制。

多年研究表明，豆科植物根部會(huì)分泌一種叫作“類黃酮類化合物”的化學(xué)信號(hào)，它如同一把特制的“信號(hào)鑰匙”。而根瘤菌細(xì)胞內(nèi)一個(gè)名為NodD的轉(zhuǎn)錄因子，就像“分子鎖”，能夠識(shí)別與之匹配的“信號(hào)鑰匙”，從而啟動(dòng)共生程序。這一信號(hào)識(shí)別與激活過(guò)程被普遍認(rèn)為是決定共生特異性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，根瘤菌的“分子鎖”NodD如何特異性識(shí)別類黃酮類化合物這把“化學(xué)信號(hào)鑰匙”，一直是該領(lǐng)域備受關(guān)注且尚未完全闡明的科學(xué)問(wèn)題。

“這是一個(gè)古老但重要的科學(xué)問(wèn)題，其主要障礙在于高質(zhì)量蛋白晶體的缺失使得結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究無(wú)法推進(jìn)，這是過(guò)去20年未能突破的核心原因?！狈肿又参镒吭街行闹魅?、中國(guó)科學(xué)院院士韓斌表示，Jeremy Murray團(tuán)隊(duì)與張余團(tuán)隊(duì)的合作體現(xiàn)了學(xué)科交叉與平臺(tái)支持的重要性，這是突破性研究的保障。借助該中心內(nèi)部資源和上海同步輻射光源等國(guó)家級(jí)大科學(xué)設(shè)施，該研究首次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化合物結(jié)合的高分辨復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，解析了NodD識(shí)別類黃酮類化合物的機(jī)制，并揭示NodD中決定信號(hào)識(shí)別特異性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件。

研究發(fā)現(xiàn)，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域通過(guò)兩個(gè)蛋白口袋識(shí)別類黃酮類化合物——一個(gè)結(jié)合口袋位于NodD蛋白的單體中，一個(gè)位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結(jié)合構(gòu)象在已知的NodD所在的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子家族中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。進(jìn)一步分析表明，NodD的三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，形成識(shí)別配體的“結(jié)合口袋”，能適配類橙皮素等黃酮分子，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?！斑@從結(jié)構(gòu)的角度解釋了為什么根瘤菌NodD蛋白能夠特異性地被類黃酮類分子所結(jié)合激活。”Jeremy Murray說(shuō)。

研究人員進(jìn)一步比較了苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD，盡管二者整體相似度高達(dá)80%，但是它們對(duì)類黃酮類化合物的響應(yīng)“偏好”非常不同。豌豆根瘤菌NodD主要響應(yīng)黃烷酮/黃酮，而苜蓿根瘤菌主要響應(yīng)查爾酮。通過(guò)區(qū)域交換實(shí)驗(yàn)和大量的點(diǎn)突變實(shí)驗(yàn)，研究人員鎖定了位于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件上的幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸，正是這些區(qū)域的氨基酸殘基決定了根瘤菌對(duì)不同類黃酮的響應(yīng)特異性。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將苜蓿根瘤菌NodD中的三個(gè)關(guān)鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構(gòu)建出一個(gè)“嵌合體”NodD蛋白，改造之后的豌豆根瘤菌NodD也能響應(yīng)苜蓿根部分泌的類黃酮信號(hào)，并展現(xiàn)出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力。這直接證明了正是這三個(gè)關(guān)鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異性識(shí)別。

那么，豆科植物與根瘤菌之間為什么需要這種特異性呢？研究人員認(rèn)為，這種精確識(shí)別源于數(shù)百萬(wàn)年在重疊棲息地中的協(xié)同進(jìn)化。為了確保成功建立共生關(guān)系，每種豆科植物都需要準(zhǔn)確識(shí)別更適合自己的根瘤菌菌株。它們通過(guò)一種相互的“雙重鎖-鑰”機(jī)制實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：根瘤菌識(shí)別植物發(fā)出的獨(dú)特信號(hào)，而植物則識(shí)別根瘤菌反饋的特異性信號(hào)。這種機(jī)制有效防止了多種豆科植物相鄰生長(zhǎng)時(shí)發(fā)生配對(duì)混淆。

這項(xiàng)成果不僅解答了豆科植物與根瘤菌如何通過(guò)類黃酮與NodD實(shí)現(xiàn)信號(hào)特異識(shí)別這一科學(xué)問(wèn)題，更開辟了人工設(shè)計(jì)高效固氮體系的新路徑?！拔磥?lái)，我們通過(guò)精準(zhǔn)改造NodD蛋白，不僅能定制適應(yīng)特定作物的高效固氮菌株，實(shí)現(xiàn)‘一對(duì)一’靶向固氮，更為推動(dòng)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(duì)化肥的依賴打下了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)?！睆堄嗾f(shuō)。