摘要： 豆科植物与根瘤菌的共生固氮系统是天然高效氮肥工厂。

　　1月9日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Murray团队与张余团队合作在国际权威期刊Science上在线发表题为“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（类黄酮类化合物特异性结合激活根瘤菌NodD分子机制研究）”的科研论文。该研究首次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白与类黄酮类化合物（橙皮素）结合的高分辨复合物晶体结构，解析了NodD识别类黄酮类化合物的机制，并揭示NodD中决定信号识别特异性的关键结构元件。

　　豆科植物与根瘤菌的共生固氮系统是天然高效氮肥工厂，而二者的精准识别是共生关系建立的核心。豆科植物根系分泌的类黄酮作为“信号钥匙”，被根瘤菌转录因子NodD这把“分子锁”识别，从而启动共生程序。这一过程被认为是决定共生特异性的关键，但NodD如何特异性识别类黄酮一直是未解之谜。

　　嵌合体NodD能够互补苜蓿根瘤菌NodD突变体，恢复其在苜蓿上的固氮结瘤能力

　　研究发现，豌豆根瘤菌NodD的配体结合结构域通过两个口袋识别橙皮素：一个位于单体内部，另一个位于二聚体界面，这种结合模式在该转录调控因子家族中为首次发现。进一步分析表明，NodD的三个关键结构元件构成识别配体的“结合口袋”，能适配橙皮素等黄酮分子，却不能适配像异黄酮和紫檀烷等其他类别的类黄酮类化合物。这从结构的角度解释了为什么根瘤菌NodD能够特异性地被类黄酮类分子所结合激活。

　　通过比较苜蓿根瘤菌NodD与豌豆根瘤菌NodD，研究人员发现尽管二者相似度高达80%，但对黄酮类化合物的响应“偏好”非常不同：前者主要响应查尔酮，后者主要响应黄烷酮/黄酮。区域交换和点突变实验锁定了关键结构元件上的特定氨基酸残基，证实这些区域决定了根瘤菌对不同类黄酮的响应特异性。研究团队将苜蓿根瘤菌NodD的三个关键激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD中，成功构建出“嵌合体”NodD蛋白。改造后的豌豆根瘤菌不仅能响应苜蓿分泌的类黄酮信号，还展现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力，直接证明了这三个结构域是决定共生特异性的核心。

　　研究人员指出，这种精确识别源于豆科植物与根瘤菌在长期重叠栖息地中的协同进化。通过“双重锁-钥”机制，植物与根瘤菌相互识别对方的特异信号，确保建立高效的共生关系，有效防止了多种豆科植物相邻生长时发生配对混淆。

　　这项成果不仅解答了豆科植物与根瘤菌如何通过类黄酮与NodD实现信号特异识别这一科学问题，更开辟了人工设计高效固氮体系的新路径。未来通过精准改造NodD蛋白，不仅能定制适应特定作物的高效固氮菌株，实现“一对一”靶向固氮，更为推动水稻、玉米等非豆科作物建立类似共生关系，减少农业对化肥的依赖打下了坚实的理论基础。