科學(xué)家破譯豆科植物與根瘤菌的共生之謎 | 科技前線

在自然界中，豆科植物的根部與根瘤菌通過共生形成的根瘤器官，堪稱一座“高效的天然氮肥工廠”。在這一共生關(guān)系中，植物為根瘤菌提供碳源，根瘤菌負責(zé)將空氣中的氮氣轉(zhuǎn)化為植物可利用形式的氮肥。

但是，豆科植物根系所處環(huán)境復(fù)雜，存在多種根瘤菌和其他細菌。植物如何精準識別并只允許“相匹配”的根瘤菌進入根部結(jié)瘤之謎，尚未完全破解。

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識別關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

此前研究發(fā)現(xiàn)，豆科植物根系會分泌一種叫作“類黃酮類化合物”的化學(xué)信號，它如同一把特制的“信號鑰匙”。而根瘤菌細胞內(nèi)一個名為NodD的轉(zhuǎn)錄因子，其功能像一把“分子鎖”，能夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從而啟動共生程序。這一信號識別與激活過程被普遍認為是決定共生特異性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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)信號鑰匙”，一直是該領(lǐng)域備受關(guān)注且尚未完全闡明的科學(xué)問題。

日前，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心團隊，成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素）結(jié)合的高分辨復(fù)合物晶體結(jié)構(gòu)，闡明了NodD識別類黃酮類化合物的機制，并揭示NodD中決定信號識別特異性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件。

研究發(fā)現(xiàn)，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結(jié)合結(jié)構(gòu)域，通過兩個蛋白口袋識別橙皮素——一個位于NodD蛋白的單體中，另一個位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結(jié)合構(gòu)象在NodD所屬的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子家族中屬首次發(fā)現(xiàn)。

分析表明，NodD的三個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，形成識別配體的“結(jié)合口袋”，能適配橙皮素等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮和紫檀烷等其他類別的類黃酮類化合物。這從結(jié)構(gòu)角度解析了根瘤菌NodD能夠特異性地被類黃酮類分子所結(jié)合激活的機制。

▲豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素復(fù)合物的結(jié)構(gòu)示意圖

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鎖定關(guān)鍵氨基酸

研究進一步比較苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD發(fā)現(xiàn)，盡管二者整體相似度高達80%，但它們對類黃酮類化合物的響應(yīng)“偏好”不同。豌豆根瘤菌NodD主要響應(yīng)黃烷酮/黃酮，而苜蓿根瘤菌主要響應(yīng)查爾酮。研究通過區(qū)域交換實驗和點突變實驗鎖定了位于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件上的幾個關(guān)鍵氨基酸，正是這些區(qū)域的氨基酸殘基決定了根瘤菌對不同類黃酮的響應(yīng)特異性。

科研人員通過將苜蓿根瘤菌NodD中的三個關(guān)鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構(gòu)建出一個“嵌合體”NodD蛋白。改造后的豌豆根瘤菌NodD也能響應(yīng)苜蓿根部分泌的類黃酮信號，并展現(xiàn)出與野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力。這證明，正是這三個關(guān)鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異性識別。

▲嵌合體NodD能夠互補苜蓿根瘤菌NodD突變體，恢復(fù)其在苜蓿上的固氮結(jié)瘤能力

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破解特異性根源

豆科植物與根瘤菌之間為什么需要這種特異性？研究認為，這種精確識別源于數(shù)百萬年在重疊棲息地中的協(xié)同進化。為了確保成功建立共生關(guān)系，每種豆科植物都需要準確識別更適合自己的根瘤菌菌株。

為此，它們演化出一套“雙重鎖鑰”機制：一方面，根瘤菌識別植物發(fā)出的獨特信號；另一方面，植物又能識別根瘤菌反饋的特異性信號。這種機制防止了多種豆科植物相鄰生長時發(fā)生配對混淆。

這項成果不僅解答了豆科植物與根瘤菌如何通過類黃酮與NodD實現(xiàn)信號特異識別這一科學(xué)問題，更開辟了人工設(shè)計高效固氮體系的新路徑。

未來通過精準改造NodD蛋白，不僅能定制適應(yīng)特定作物的高效固氮菌株，實現(xiàn)“一對一”靶向固氮，更能為推動水稻、玉米等非豆科作物建立類似共生關(guān)系、減少農(nóng)業(yè)對化肥的依賴打下理論基礎(chǔ)。

來源：中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心

責(zé)任編輯：侯茜