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（來源：澎湃新聞）

在自然界中，豆科植物（wù）（如大豆、苜蓿等（děng））的根部（bù）與（yǔ）根瘤菌通過共生形成的根瘤器官是高效的天（tiān）然氮肥工廠。在該器官中，植物為根瘤菌提供碳源，根瘤菌負責將空氣中的氮氣轉化為（wéi）植物可利用形式的氮肥。但是豆科植物根（gēn）係所處環境複雜，存在著多種根瘤菌和其他細菌，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（jiān）2026年1月9日，中國科學院分子植物科學卓越創（chuàng）新中心Jeremy Murray團隊與張餘團隊合作在國際權（quán）威期刊Science上在線（xiàn）發表題為（wéi）“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids（類黃酮類化合物特異性結合激活根瘤菌NodD分子機製研究）”的科研論文。

該研（yán）究首次（cì）成功解析了豌（wān）豆根瘤菌NodD蛋白與類黃酮類化合物（橙皮素）結合的高分辨複合物晶體結構，解析了NodD識別類黃酮（tóng）類化合物的機製，並揭示NodD中決定信號識別（bié）特異性的關鍵結構元件。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素複（fù）合物的結構示意圖。本文圖片均（jun1）為 中國（guó）科學院分子植物科學卓（zhuó）越（yuè）創新中心供圖

多年（nián）研（yán）究表明，豆科植物根係會分泌一種叫做“類黃酮（tóng）類化合物”的化學信號，它如同一（yī）把（bǎ）特製的“信（xìn）號鑰匙”。而（ér）根瘤（liú）菌細胞內一個名為NodD的轉錄因子，就像“分子鎖”，能（néng）夠識別與之匹配的“信號鑰匙”，從（cóng）而啟動共生（shēng）程序。這一信（xìn）號識別與激活過（guò）程被普遍認（rèn）為是（shì）決定共生特異性的關鍵環節。然而，根瘤菌的“分子鎖”NodD如何特（tè）異性（xìng）識別類黃酮類化合物這把“化學信號鑰匙”，一（yī）直是該領域備受關注且尚未完全闡（chǎn）明的科學問題。

這項最新研究發現，豌豆根瘤（liú）菌NodD蛋白的配體（tǐ）結合結構域通過兩（liǎng）個蛋白口（kǒu）袋識別橙皮素——一個結合口袋位於NodD蛋白的（de）單體中，一個位於NodD蛋白（bái）的二聚界（jiè）麵上，這（zhè）種結合構象在已知的NodD所在的轉（zhuǎn）錄調控因子家族中尚屬首次發現。進一步分析表明（míng），NodD的三個關鍵結構元件，形成識別配體的“結合口（kǒu）袋”，能適配（pèi）橙皮素等黃酮分子，卻不能適（shì）配（pèi）像異黃酮和紫檀烷等其（qí）他類別的類黃酮（tóng）類化（huà）合物。這從（cóng）結構的角度解釋了為（wéi）什（shí）麽根瘤菌NodD能夠特異性（xìng）地被（bèi）類黃酮類分子所結合激（jī）活。

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嵌（qiàn）合體NodD能夠互補苜蓿根（gēn）瘤菌NodD突變（biàn）體，恢複其在苜蓿上（shàng）的固氮結瘤能力。

研（yán）究（jiū）人員進一步比較了苜蓿（xu）根瘤菌NodD與豌（wān）豆根（gēn）瘤菌NodD，盡（jìn）管二者整（zhěng）體相似度高達80%，但是它們對類黃酮類化合物的響（xiǎng）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（tōng）過區域（yù）交換實驗和大量的點突變實（shí）驗（yàn），研究人員鎖定了位於關鍵結構元件上的幾個關鍵氨基酸，正是這些（xiē）區域的氨基酸殘基決定了根瘤菌對不（bú）同類黃酮的響（xiǎng）應特異性。

研究團隊通（tōng）過將苜蓿根瘤菌NodD中的（de）三個關鍵激活域“移植”到（dào）豌豆根瘤菌NodD上（shàng），成功構建出一個“嵌合體”NodD蛋白，改造之後的豌豆根（gēn）瘤菌NodD也能響應苜蓿（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（de）結瘤固氮能力。這直接證（zhèng）明了正是這三個（gè）關鍵激活域，決定了豆科植物與根瘤（liú）菌之間的特異性識別。

那麽（me），豆科植物與根瘤菌（jun1）之間為什麽需要這種特異性呢（ne）？研究人員認為，這（zhè）種精（jīng）確識（shí）別（bié）源於（yú）數百萬年在重疊棲息地中的協同（tóng）進化。為了確保成（chéng）功建立共生關係，每種豆科植物都需要準確識別更適合（hé）自己的根瘤菌（jun1）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（yě）識別根瘤菌反饋的特異性信號，這（zhè）有效防止了多種豆科植物相鄰（lín）生長時發生配對混淆。

這項成果不僅解答了豆（dòu）科植物與根瘤菌如何通過（guò）類黃酮與NodD實現信號特異（yì）識別這一科學問題，更開辟了人工設計高效（xiào）固氮體（tǐ）係的新路徑。未來通過精（jīng）準改造NodD蛋（dàn）白，不僅能（néng）定製適應特定作物的高效固氮菌株，實現“一對一”靶向（xiàng）固氮，更（gèng）為推動水稻、玉（yù）米等非豆科作物建立類似共生（shēng）關係，減少農業對化肥的依賴（lài）打下理論基礎。