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（來源：澎湃（pài）新聞）

在自然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿（xu）等（děng））的根（gēn）部與根（gēn）瘤菌（jun1）通過共生形成的根瘤器官（guān）是高的天然氮肥工廠。在該器官中，植物為根瘤菌（jun1）提供碳源，根瘤菌負責將（jiāng）空氣中（zhōng）的氮氣轉化為植物可利用形式的氮肥。但是豆科植物根係（xì）所處環境（jìng）複雜，存在著（zhe）多（duō）種根瘤菌和其他細菌，植（zhí）物是（shì）如何精準（zhǔn）識別並隻（zhī）允許“相匹配”的根瘤菌進入根部結瘤的呢？

北京時間2026年1月9日，中國科學院分子植（zhí）物科（kē）學（xué）卓（zhuó）越創新中心Jeremy Murray團（tuán）隊與張餘團隊合作在國際權威期刊Science上在線發表題為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃酮類化合物特異性結（jié）合（hé）激活根瘤（liú）菌NodD分子機製研究）”的科研論文。

該研究首次成功解析了豌（wān）豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素（sù））結合的高分辨複合物晶體結構，解析了NodD識別類黃酮類化合物的機製，並揭示NodD中決定信號識（shí）別特異性的關（guān）鍵結構元（yuán）件。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素複合物的結構示意圖。本文圖片均為 中（zhōng）國（guó）科學院分子植物（wù）科學卓越創新中心供圖（tú）

多年研究表明，豆科植物（wù）根係會分泌一種叫做“類黃酮類化合物”的化學信（xìn）號，它如同一把特製的“信號鑰匙”。而根瘤菌細胞內一個名為NodD的轉錄因子，就像“分子鎖”，能（néng）夠識別與之匹（pǐ）配的“信號鑰匙”，從而啟動共生（shēng）程序。這一信號識別與激活過（guò）程被普（pǔ）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（xué）信號（hào）鑰匙”，一直是該（gāi）領域備受關注且尚未完全闡明的科學（xué）問題。

這項新研究發現，豌（wān）豆根瘤菌NodD蛋白（bái）的配體結合結構域通過（guò）兩個蛋白口袋識（shí）別橙（chéng）皮素——一個結合（hé）口袋位於NodD蛋白的（de）單體中，一個位於NodD蛋白的二聚界麵上，這種結（jié）合構象（xiàng）在已知的NodD所在（zài）的轉錄調控因子家（jiā）族中尚屬首次發現。進一步分析表明，NodD的三個關鍵結構元件，形成識別配體的（de）“結合口袋（dài）”，能適配橙皮（pí）素（sù）等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮和紫檀烷等其他（tā）類別的類黃（huáng）酮類化合物。這從結構的角度解釋了為什麽（me）根瘤菌（jun1）NodD能（néng）夠特異性地（dì）被類（lèi）黃酮類分子所結合激活。

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嵌合（hé）體NodD能夠互補苜蓿根瘤菌NodD突變（biàn）體，恢複其在苜蓿上的固氮結瘤能力。

研究人員進一步比較了苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤（liú）菌NodD，盡管二者整體相似度高達80%，但是它們對（duì）類黃酮類化合物的響應“偏好（hǎo）”非常不（bú）同。豌豆根瘤菌NodD主要響應黃烷酮/黃酮（tóng），而苜蓿根瘤菌主要響應查爾酮。通過區域交換（huàn）實驗和大量的點突變實驗（yàn），研究人員鎖定了位於關鍵結構元件（jiàn）上的幾個關鍵氨基（jī）酸（suān），正是這（zhè）些區（qū）域的氨基酸殘基決（jué）定了根（gēn）瘤菌（jun1）對（duì）不（bú）同（tóng）類黃酮的（de）響應特異性。

研究團隊通過將苜蓿根瘤菌NodD中的三個關鍵激（jī）活域“移植”到豌豆根瘤菌（jun1）NodD上，成功（gōng）構建出一個（gè）“嵌合體”NodD蛋白，改造之後的豌豆（dòu）根瘤菌NodD也能響應苜蓿根部分泌的類（lèi）黃酮信號，並展現出和野生型苜蓿根（gēn）瘤菌相似的結瘤固氮（dàn）能力。這直接證明了正是這三個（gè）關鍵激活（huó）域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異性識別。

那麽，豆科植（zhí）物與根瘤菌之間為什麽（me）需要（yào）這種特異性呢？研究人員認為，這種精確識別源於數百萬年在重疊棲息地（dì）中的協同進（jìn）化。為了確保成功建立（lì）共生關係，每種豆科植物都需要準確識別更（gèng）適合自己的根瘤菌菌株。它們互認的機製是（shì）根瘤菌識別（bié）植物發出的獨特信號，而植物也識別根瘤菌反饋的特異性信號，這有防（fáng）止了（le）多種豆科植物相鄰生長時發生（shēng）配對混淆。

這項成果（guǒ）不僅解答了豆科植物與根（gēn）瘤菌如何通過類黃酮（tóng）與NodD實現信號特異識別這一科學（xué）問題，更開辟了人工設計高固氮體係的新路徑。未來通（tōng）過精準改造NodD蛋白，不僅能（néng）定製適應特定（dìng）作物（wù）的高固氮（dàn）菌株，實現“一對一（yī）”靶向固氮，更為動水稻、玉米等（děng）非豆科（kē）作物建立類似共生關係，減少農業對化（huà）肥（féi）的依賴打下理論基礎。