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（來源（yuán）：澎湃新聞）

在自然界中，豆科（kē）植物（如大豆、苜蓿等）的根部與根瘤菌通過共生形成的根瘤器官是高的天然氮肥工廠。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（jun1）和其他細菌，植物是如何精準識別並隻允許“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，中國科學院分子植物科學卓越創新中心Jeremy Murray團隊與張（zhāng）餘（yú）團（tuán）隊作在國際期刊Science上在線發表題為“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃酮類化物特異結激活根瘤菌NodD分子機製研究）”的科研論文。

該（gāi）研究次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化物（橙（chéng）皮素）結的高分辨複物晶體結構，解析了NodD識別類黃酮類化物的（de）機製，並揭示NodD中決定信（xìn）號識別特（tè）異（yì）的關鍵結構（gòu）元件。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素複（fù）物的結構（gòu）示意圖。本文圖片均為（wéi） 中國科學院（yuàn）分子植物科學卓越創新中心供（gòng）圖

多（duō）年研究表明，豆科植物根係會分泌一種叫做“類黃酮類（lèi）化物”的化學信號，它如同一把特製的（de）“信號（hào）鑰匙”。而根瘤菌細胞內一個名為NodD的（de）轉錄因子，就像“分子鎖（suǒ）”，能夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從而（ér）啟動共生程序。這一信號識（shí）別與激活過程被普遍認為（wéi）是決定共（gòng）生特異的關鍵環節。然而，根瘤菌的“分（fèn）子鎖”NodD如何（hé）特異識別類黃酮類（lèi）化物這把“化學信號鑰匙”，一直（zhí）是該領域備（bèi）受關注且尚未完全闡明的科學問題。

這項（xiàng）新研究發現，豌（wān）豆根瘤菌NodD蛋白的配體結結構域通過（guò）兩個蛋白口袋識別橙皮素——一個結口袋位於（yú）NodD蛋白的單體中（zhōng），一個位於NodD蛋白的二（èr）聚界麵上，這種結構象在已知的NodD所在的轉錄調控因子家族中尚屬次發現。進一步分析表明，NodD的三（sān）個關鍵結構元件，形（xíng）成識別配體的“結口袋”，能適配橙（chéng）皮素等黃酮分子，卻不能適配像異黃酮和紫（zǐ）檀烷等其他類別的類黃酮類化物。這（zhè）從（cóng）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（hù）補苜蓿根瘤菌NodD突變體，恢複其在苜（mù）蓿上的固氮結瘤能力（lì）。

研究人（rén）員（yuán）進一步比較了苜（mù）蓿根瘤菌NodD與豌豆根（gēn）瘤菌NodD，盡管二者整體相（xiàng）似度高達（dá）80%，但是它們對類黃酮類化物的響應“偏（piān）好”非常不同。豌豆根瘤菌NodD主要（yào）響應黃烷酮/黃酮，而苜蓿根（gēn）瘤菌主要響應查爾酮。通過區（qū）域交換實驗和大量的點突變實驗，研究人員鎖定了位於關鍵結構元件上的幾個關鍵氨基酸，正是（shì）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。

研究團隊通過將苜（mù）蓿根瘤菌NodD中的三個關鍵激活域“移（yí）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（wān）豆根瘤菌NodD也能響應苜蓿根部分泌的類黃（huáng）酮信號，並展現出和野生（shēng）型苜蓿根瘤菌相似（sì）的結瘤固氮能（néng）力。這直接（jiē）證明（míng）了正是這三個關鍵激活域，決定了豆科植物與（yǔ）根瘤菌之間的特異識（shí）別。

那（nà）麽，豆科植物（wù）與根瘤菌之間為什麽需要這種特異呢（ne）？研究（jiū）人員認為，這種精確識別源於（yú）數百萬年在重疊棲息地中的協同進化。為了確（què）保成功建立（lì）共生關係，每種豆科植物都需要準確識別更適（shì）自己的根瘤（liú）菌菌株。它們互認的機製是根瘤菌識別植物發出的獨特信號，而植物也識別根（gēn）瘤菌反饋的特異信號，這有（yǒu）防止了多種豆科植（zhí）物相鄰生長時（shí）發生配對混淆。

這項成果不僅解答了（le）豆科植物與根（gēn）瘤菌如何通過類黃酮與NodD實現信號特（tè）異識別這一（yī）科學問題，更開辟了人工設（shè）計高固氮體係的新路徑。未來通過精準改造NodD蛋（dàn）白，不僅能定（dìng）製適應特定作物的高固氮（dàn）菌株，實現“一對一（yī）”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（duì）化肥的依賴打下理論基礎。