北京时间1月9日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心Jeremy Murray团队与张余团队联合在国际顶级学术期刊《科学》上发表研究论文，揭示了豆科植物与根瘤菌之间的共生信号识别机制，这是该领域多年来的重大突破； 长期以来，科学家们观察到一个自然界的奇妙现象：大豆、苜蓿等豆科植物的根部能够与根瘤菌形成共生关系，建立起高效的天然氮肥工厂。在这个微观世界中，植物为根瘤菌提供生长所需的碳源，而根瘤菌则将空气中的氮气转化为植物可直接利用的氮肥。这种互利共生的关系使豆科植物意义在于独特的固氮能力，减少了对外源肥料的依赖。 然而，一个长期困扰科学家的问题是：豆科植物的根系处于复杂的微生物环境中，周围存在多种根瘤菌和其他细菌。植物究竟如何能够精准识别并只允许"相匹配"的根瘤菌进入根部形成结瘤？这种特异性识别的分子机制是什么？ 多年的研究表明，豆科植物根系分泌的类黄酮类化合物充当了"信号钥匙"的角色，而根瘤菌细胞内的NodD转录因子则像"分子锁"一样，能够识别与之匹配的信号。这个信号识别与激活过程被普遍认为是决定共生特异性的关键环节。但NodD蛋白如何特异性识别类黄酮类化合物，其中的结构基础和分子机理一直未被完全阐明。 Jeremy Murray与张余团队通过数年深入研究，终于揭开了这个谜团。研究发现，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配体结合结构域拥有两个独特的蛋白口袋，分别位于NodD蛋白的单体和二聚界面上。这种双口袋的结合构象在已知的同类转录调控因子家族中属于首次发现。这两个口袋能够精准识别橙皮素等黄酮分子，却无法适配异黄酮和紫檀烷等其他类别的类黄酮类化合物。这从结构层面解释了根瘤菌NodD为何能够特异性地被某些类黄酮分子激活。 深入的比较研究更加深化了这一发现。研究人员对比了苜蓿根瘤菌NodD与豌豆根瘤菌NodD，发现尽管两者整体相似度高达80%，但它们对类黄酮类化合物的响应"偏好"却存在显著差异。豌豆根瘤菌NodD主要响应黄烷酮和黄酮，而苜蓿根瘤菌则主要响应查尔酮。通过区域交换实验和大量点突变实验，研究人员锁定了位于关键结构元件上的几个关键氨基酸，正是这些氨基酸残基决定了不同根瘤菌对类黄酮的响应特异性。 为了验证这一发现，研究团队进行了一项巧妙的"移植"实验。他们将苜蓿根瘤菌NodD中的三个关键激活域转移到豌豆根瘤菌NodD上，成功构建出一个"嵌合体"NodD蛋白。改造后的豌豆根瘤菌NodD不仅能够响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，还体现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力。这一结果直接证明了正是这三个关键激活域决定了豆科植物与根瘤菌之间的特异性识别。 这种精确识别机制的存在并非偶然。研究人员认为，这是数百万年来豆科植物与根瘤菌在重叠栖息地中协同进化的结果。为了确保成功建立共生关系，每种豆科植物都需要准确识别更适合自己的根瘤菌菌株。它们通过一种相互的"双重锁-钥"机制实现这一目标：根瘤菌识别植物发出的独特信号，而植物则识别根瘤菌反馈的特异性信号。这种精妙的互动机制有效防止了多种豆科植物相邻生长时发生配对混淆，确保了共生关系的稳定性和高效性。 这项研究成果远超基础科学范畴。它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，更为农业实践开辟了全新的可能性。通过精准改造NodD蛋白，科学家们可以定制适应特定作物的高效固氮菌株，实现"一对一"靶向固氮。更具前瞻性的是，这一理论基础为推动水稻、玉米等非豆科作物建立类似的共生关系打下了坚实基础，这将有助于减少农业对化肥的依赖，推动农业的绿色可持续发展。 Jeremy Murray研究员表示，这是他从事科研20多年来一直想回答的科学问题，来到上海实现了这个梦想。这充分说明了国际科学合作的力量，也反映了中国在基础研究领域的吸引力和创新活力。
从破解"分子锁"如何识别"信号钥匙"，到用结构改造验证共生配对的决定性环节，这项研究把长期悬而未解的科学问题落到可解释、可验证、可设计的层面。面向化肥减量增效和农业绿色转型，基础研究的每一次突破都在为可持续生产方式打开新空间。如何把分子机制转化为稳定可靠的田间收益，将成为下一阶段检验创新价值的关键。