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（來源：澎湃新聞）

在自然界中，豆科植物（如大（dà）豆、苜蓿等）的根（gēn）部與根瘤菌通過共生形成的根瘤器（qì）官是高的天然（rán）氮肥工廠。在該器官中，植物為根瘤菌提供碳（tàn）源，根瘤菌負責將空氣中的氮氣轉化為植物可利用形（xíng）式的氮肥。但是豆科植物根係所處環境複雜，存在著多種根瘤菌和其他（tā）細菌，植物是（shì）如何精準識別並（bìng）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，中國科學院分子植（zhí）物科學（xué）卓越（yuè）創新中心Jeremy Murray團隊與張餘團隊作在國（guó）際期刊Science上在線（xiàn）發表題（tí）為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃（huáng）酮類化（huà）物（wù）特異結激（jī）活根瘤菌NodD分子（zǐ）機製研究）”的科研論文。

該研究次成（chéng）功解（jiě）析了豌豆根瘤（liú）菌NodD蛋（dàn）白（bái）與類黃（huáng）酮類化物（wù）（橙皮素）結的（de）高（gāo）分辨複物晶體結（jié）構，解析了NodD識別類黃酮類化物的機製，並揭示NodD中決定信（xìn）號識別特異（yì）的關鍵結構元件。

豌豆根（gēn）瘤（liú）菌NodD蛋白與橙（chéng）皮素複物的結構示意圖。本文圖片均為 中國科學院分子植物科學卓（zhuó）越創新中（zhōng）心供圖

多年研（yán）究表明（míng），豆科植物根係會分泌一種叫做（zuò）“類黃酮類（lèi）化物”的化學信號，它如同一把特製的“信號鑰匙”。而（ér）根瘤菌細（xì）胞內一個名（míng）為NodD的轉錄因子，就像（xiàng）“分子鎖”，能夠識別與之匹（pǐ）配的“信號鑰匙”，從而啟動共生程序。這一（yī）信號識別與（yǔ）激活過程被普遍認為是決定（dìng）共生特異的關鍵環節。然而，根瘤菌的“分子鎖”NodD如何特異識（shí）別類黃酮類化物（wù）這把“化學信號鑰匙”，一直是（shì）該領域（yù）備受關注（zhù）且尚未完全闡明的科學問題。

這項新研究發現，豌（wān）豆根瘤菌NodD蛋白的配體結結構域通過兩個蛋白口袋（dài）識別橙皮素——一個結口袋位於NodD蛋白的（de）單體中，一個位於NodD蛋白的（de）二聚（jù）界麵上，這種結構象在已知的NodD所在的轉（zhuǎn）錄調控因子家族中尚屬次發現。進一步分析表明，NodD的（de）三個關鍵結構（gòu）元件，形（xíng）成識別配體（tǐ）的“結（jié）口袋”，能適配橙皮素等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮（tóng）和紫檀（tán）烷等其他類（lèi）別的類（lèi）黃（huáng）酮類化物。這從結構的角度解釋了為什麽根瘤菌NodD能夠特異地被類黃酮類分子所結激（jī）活。

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嵌體NodD能夠互補苜蓿根瘤菌（jun1）NodD突變體，恢（huī）複其在苜蓿上（shàng）的固（gù）氮結瘤能力。

研究人員進一步比（bǐ）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（shì）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（yīng）黃烷酮/黃酮，而苜蓿根瘤菌（jun1）主要響應查爾酮。通過區域交換實驗和（hé）大（dà）量的點突變實（shí）驗，研究（jiū）人員鎖定了位於關（guān）鍵結構（gòu）元件上的幾個關鍵氨基酸，正是這（zhè）些區域（yù）的氨基酸殘基決定了根瘤菌對不同類（lèi）黃酮的響應特異。

研究團隊通過將苜蓿（xu）根（gēn）瘤菌NodD中（zhōng）的三個關鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構建出一個“嵌體”NodD蛋白，改造之後的豌豆根（gēn）瘤菌NodD也（yě）能響應苜蓿（xu）根部分泌的類黃酮信號，並展現出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結瘤固氮能力。這直接證明了正（zhèng）是這（zhè）三（sān）個關鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤菌（jun1）之間的特異識別。

那麽，豆科植物與根瘤菌之間為什麽需（xū）要（yào）這種特異呢？研究人員認為，這種精確識別源於數百萬年在重疊棲息地中的協同進化。為（wéi）了確保成（chéng）功建立共生關（guān）係（xì），每種豆科植物都需要準確識別更適自己的（de）根瘤（liú）菌菌株。它們互認的機製是（shì）根瘤菌識別植物發出（chū）的獨特信號，而植物也識別根（gēn）瘤菌反饋的特（tè）異信號，這（zhè）有防止了多種（zhǒng）豆科植物相鄰生（shēng）長（zhǎng）時發生配對混淆。

這項成果（guǒ）不（bú）僅解答（dá）了（le）豆科植物與根瘤菌如（rú）何通過類黃酮與NodD實現信號（hào）特異識別這一科學問題，更開辟了（le）人工設計高固氮體係的（de）新（xīn）路徑。未來通過（guò）精準改造NodD蛋（dàn）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（fēi）豆科作物建立類似共生關係，減少農業對化肥的依賴打下理（lǐ）論基礎。