中科院分子植物卓越中心發表《Science》

近日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jeremy Murray團隊與張余團隊合作在Science期刊上發表題為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids”的研究成果。該研究首次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素）結合的高分辨復合物晶體結構，解析了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鍵結構元件。分子植物科學卓越創新中心博士后阮怡婷與博士后董尚志（已出站）為本研究論文的共同第一作者，Jeremy D. Murray研究員和張余研究員為共同通訊作者。

研究發現，豌豆根瘤菌NodD蛋白的配體結合結構域通過兩個蛋白口袋識別橙皮素——一個結合口袋位于NodD蛋白的單體中，一個位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結合構象在已知的NodD所在的轉錄調控因子家族中尚屬首次發現。進一步分析表明，NodD的三個關鍵結構元件，形成識別配體的“結合口袋”，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。這從結構的角度解釋了為什么根瘤菌NodD能夠特異性地被類黃酮類分子所結合激活。

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合物的響應“偏好”非常不同。豌豆根瘤菌NodD主要響應黃烷酮/黃酮，而苜蓿根瘤菌主要響應查爾酮。通過區域交換實驗和大量的點突變實驗，研究人員鎖定了位于關鍵結構元件上的幾個關鍵氨基酸，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性。

研究團隊通過將苜蓿根瘤菌NodD中的三個關鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構建出一個“嵌合體”NodD蛋白，改造之后的豌豆根瘤菌NodD也能響應苜蓿根部分泌的類黃酮信號，并展現出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結瘤固氮能力。這直接證明了正是這三個關鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤菌之間的特異性識別。

那么，豆科植物與根瘤菌之間為什么需要這種特異性呢？研究人員認為，這種精確識別源于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。它們通過一種相互的"雙重鎖-鑰"機制實現這一目標：根瘤菌識別植物發出的獨特信號，而植物則識別根瘤菌反饋的特異性信號。這種機制有效防止了多種豆科植物相鄰生長時發生配對混淆。