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（來源：澎湃新聞）

在自然界中，豆科（kē）植物（如大豆、苜蓿等）的根部與根瘤菌（jun1）通過共生形成的根瘤器官是高的天然氮肥工廠。在該器官中，植物為根瘤（liú）菌提供碳源，根瘤菌負（fù）責將空氣中的氮氣轉化為植物可利用形式的氮肥。但（dàn）是豆（dòu）科植物根係所處環境複（fù）雜（zá），存在著多種根瘤菌和其他細菌，植物是如何精準識別並隻允許“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（rì），中國科學院分子植物科學（xué）卓越創新中心Jeremy Murray團隊與張餘團隊（duì）作在國際期刊Science上在線發表題為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃酮類化物（wù）特（tè）異結（jié）激活根瘤菌NodD分子機製研究）”的科研論文（wén）。

該研究次成功解（jiě）析了豌豆根（gēn）瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化物（橙皮素）結的高分辨複物晶體結（jié）構，解析了NodD識（shí）別類黃酮類化物的機製，並揭示NodD中決定信號識別特（tè）異（yì）的關鍵結構元件。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素複物的（de）結構示意圖。本文圖片均為 中國科學（xué）院分子植物（wù）科學卓越創（chuàng）新中心供圖

多年研究表明，豆科植物（wù）根係會分泌一種叫做“類黃酮類化物”的化學信號，它（tā）如同一把（bǎ）特製的“信號鑰匙”。而（ér）根瘤菌細胞內（nèi）一個名為NodD的轉錄因子，就像“分子鎖”，能夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從而啟動共生程序。這一信號識別（bié）與激活過程（chéng）被普遍認為是決定共生特異的關鍵（jiàn）環（huán）節。然而，根瘤菌的“分子鎖”NodD如何特異識別類黃酮類化物這把“化學信號鑰匙”，一直（zhí）是該領域備受關注且尚未完全闡明的科學問題。

這項（xiàng）新研究發現，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結結構域通過兩個蛋白口袋（dài）識（shí）別橙皮素——一個結口袋位於NodD蛋白的單（dān）體中，一個位於NodD蛋白的二聚界麵上，這種結構象（xiàng）在（zài）已知的NodD所在的轉錄調控因子家族（zú）中尚屬次發現。進一步分析表明（míng），NodD的三個關（guān）鍵結構元件，形成識別配體的“結口袋”，能適配橙皮（pí）素等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮和紫檀烷（wán）等（děng）其他類別的（de）類黃（huáng）酮類化物（wù）。這從結構的角度解釋了為什麽根瘤菌NodD能夠特（tè）異地被類黃酮類分子所結激活。

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嵌體NodD能夠互（hù）補苜蓿根瘤菌NodD突變體，恢複其在苜蓿上的固氮（dàn）結（jié）瘤能力。

研究人員進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80%，但是它們對類黃酮類化物的響應“偏好”非常不同。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（tōng）過區域交換實（shí）驗和大量的（de）點突變實驗，研究人員鎖定了位於（yú）關鍵結構元件上的幾個關（guān）鍵氨基（jī）酸，正是這些區域的氨基酸殘基決定了根瘤菌對不同類黃酮的響應特異。

研究（jiū）團隊通過將（jiāng）苜（mù）蓿根瘤菌NodD中的三個（gè）關鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構建出一個“嵌體（tǐ）”NodD蛋白，改造之後的豌豆根瘤菌NodD也（yě）能響應苜蓿根部（bù）分泌的類黃酮信號（hào），並展現出和野生型苜蓿根瘤菌相（xiàng）似的結瘤固氮能力。這直接證明了正是這三個關鍵（jiàn）激活域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異識別（bié）。

那麽，豆（dòu）科植物與根瘤菌之間為什麽需要這（zhè）種特異呢？研究（jiū）人（rén）員認為，這種精確識別（bié）源於數百萬年在重疊棲息地中的協同進化。為了確保成功建立共生關係（xì），每種豆科植物都（dōu）需要準確識別更適自己的根瘤菌菌（jun1）株。它們互（hù）認的機製是根瘤菌識別植物發出的獨特信號，而植物也識別根瘤菌反饋的特異信號，這有防止了（le）多種豆科植物相鄰（lín）生長時發生（shēng）配對混淆。

這項成果不（bú）僅解（jiě）答了豆科植物與根瘤菌如何通（tōng）過類黃酮與NodD實現信號（hào）特異識（shí）別這一科學問題，更開辟（pì）了人工設計高固氮體（tǐ）係的新路徑。未來通過（guò）精準改造NodD蛋白，不僅能定製適應特定作物的高固氮菌株，實現“一對一”靶向固氮，更為動水稻、玉米等非豆（dòu）科作物建立類似共生關係，減（jiǎn）少農業對化肥的依賴（lài）打下理論基礎。