本報(bào)訊（見習(xí)記者江慶齡）中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員杰睿·默里團(tuán)隊(duì)與研究員張余團(tuán)隊(duì)合作，首次成功解析了豌豆根瘤菌轉(zhuǎn)錄因子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)，以及NodD識(shí)別類黃酮類化合物的機(jī)制，并揭示了NodD中決定信號(hào)識(shí)別特異性的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件，開辟了人工設(shè)計(jì)高效固氮體系的新路徑。相關(guān)研究成果1月9日發(fā)表于《科學(xué)》。
在自然界中，豆科植物的根部與根瘤菌通過共生互作形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工廠。已有研究表明，豆科植物根系會(huì)分泌一種叫“類黃酮類化合物”的化學(xué)信號(hào)，它如同一把特制的信號(hào)鑰匙。而NodD就像“分子鎖”，能夠識(shí)別與之匹配的“信號(hào)鑰匙”，從而啟動(dòng)共生程序。然而，根瘤菌的“分子鎖”如何特異性識(shí)別化學(xué)“信號(hào)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。
研究團(tuán)隊(duì)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(gè)蛋白口袋識(shí)別橙皮素，其中一個(gè)結(jié)合口袋位于NodD蛋白的單體中，另一個(gè)位于NodD蛋白的二聚界面上，這種結(jié)合構(gòu)象在已知的NodD所在的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子家族中尚屬首次發(fā)現(xiàn)。NodD的3個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件形成識(shí)別配體的“結(jié)合口袋”，能適配橙皮素等黃酮分子，卻不能適配其他類別的類黃酮類化合物。這闡明了根瘤菌NodD能夠特異性被類黃酮類分子結(jié)合激活的結(jié)構(gòu)機(jī)理。
研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步比較了苜蓿根瘤菌NodD與豌豆根瘤菌NodD，前者主要響應(yīng)查爾酮，后者則主要響應(yīng)黃烷酮/黃酮。研究人員鎖定了位于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件上的幾個(gè)關(guān)鍵氨基酸，并通過將苜蓿根瘤菌NodD中的3個(gè)關(guān)鍵激活域“移植”到豌豆根瘤菌NodD上，成功構(gòu)建出一個(gè)“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(hào)，并展現(xiàn)出和野生型苜蓿根瘤菌相似的結(jié)瘤固氮能力。
研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種精確識(shí)別源于數(shù)百萬年在重疊棲息地中的協(xié)同進(jìn)化。為了確保成功建立共生關(guān)系，每種豆科植物都需要準(zhǔn)確識(shí)別出更適合的根瘤菌菌株。它們通過一種相互的“雙重鎖-鑰”機(jī)制實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，即根瘤菌識(shí)別植物發(fā)出的獨(dú)特信號(hào)，而植物則識(shí)別根瘤菌反饋的特異性信號(hào)，由此防止多種豆科植物相鄰生長時(shí)發(fā)生配對(duì)混淆。
研究團(tuán)隊(duì)表示，未來通過精準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)“一對(duì)一”靶向固氮，更為推動(dòng)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(duì)化肥的依賴打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.aec3061