首次破解：中国科学院揭示豆科植物与根瘤菌之间共生的“密码暗号”
IT之家 1 月 10 日消息，在自然界中，豆科植物（如大豆、苜蓿）的根部与根瘤菌通过共生形成的根瘤器官是高效的天然氮肥工厂（植物为根瘤菌提供碳源，根瘤菌负责将空气中的氮气转化为植物可利用形式的氮肥）。
但是，豆科植物根系所处环境复杂，存在着多种根瘤菌和其他细菌，植物是如何精准识别并只允许“相匹配”的根瘤菌进入根部结瘤的呢？
中国科学院分子植物科学卓越创新中心（CEMPS）张余及 Jeremy Murray 团队合作，首次成功解析了豌豆根瘤菌 NodD 蛋白与类黄酮类化合物（橙皮素）结合的高分辨复合物晶体结构，解析了 NodD 识别类黄酮类化合物的机制，并揭示 NodD 中决定信号识别特异性的关键结构元件。相关成果已于 1 月 9 日发表于《科学》。
研究表明，豆科植物根系会分泌一种叫做“类黄酮类化合物”的化学信号，它如同一把特制的“信号钥匙”。而根瘤菌细胞内一个名为 NodD 的转录因子，就像“分子锁”，能够识别与之匹配的“信号钥匙”，从而启动共生程序。这一信号识别与激活过程被普遍认为是决定共生特异性的关键环节。然而，根瘤菌的“分子锁”NodD 如何特异性识别类黄酮类化合物这把“化学信号钥匙”，一直是该领域备受关注且尚未完全阐明的科学问题。
研究发现，豌豆根瘤菌 NodD 蛋白的配体结合结构域通过两个蛋白口袋识别橙皮素 —— 一个结合口袋位于 NodD 蛋白的单体中，一个位于 NodD 蛋白的二聚界面上，这种结合构象在已知的 NodD 所在的转录调控因子家族中尚属首次发现。
▲ 豌豆根瘤菌 NodD 蛋白与橙皮素复合物的结构示意图 进一步分析表明，NodD 的三个关键结构元件，形成识别配体的“结合口袋”，能适配橙皮素等黄酮分子，却不能适配像异黄酮和紫檀烷等其他类别的类黄酮类化合物。这从结构的角度解释了为什么根瘤菌 NodD 能够特异性地被类黄酮类分子所结合激活。
研究人员进一步比较了苜蓿根瘤菌 NodD 与豌豆根瘤菌 NodD，尽管二者整体相似度高达 80%，但是它们对类黄酮类化合物的响应“偏好”非常不同。豌豆根瘤菌 NodD 主要响应黄烷酮 / 黄酮，而苜蓿根瘤菌主要响应查尔酮。通过区域交换实验和大量的点突变实验，研究人员锁定了位于关键结构元件上的几个关键氨基酸，正是这些区域的氨基酸残基决定了根瘤菌对不同类黄酮的响应特异性。
研究团队通过将苜蓿根瘤菌 NodD 中的三个关键激活域“移植”到豌豆根瘤菌 NodD 上，成功构建出一个“嵌合体”NodD 蛋白，改造之后的豌豆根瘤菌 NodD 也能响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，并展现出和野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力。这直接证明了正是这三个关键激活域，决定了豆科植物与根瘤菌之间的特异性识别。