上海助力加拿大科学家实现20年科研梦想
北京时间1月9日凌晨，中国科学院分子植物科学卓越创新中心的Jeremy Murray团队与张余团队合作，在国际权威期刊《科学》上发表了一篇重要科研论文，揭示了豆科植物与根瘤菌之间的共生秘密。这项研究不仅解答了长期以来的科学难题，还为未来农业发展提供了新的思路。
在自然界中，诸如大豆和苜蓿等豆科植物的根部与根瘤菌形成的根瘤器官被视为高效的天然氮肥工厂。在这个复杂的共生系统中，植物为根瘤菌提供碳源，而根瘤菌则将空气中的氮气转化为植物可利用的氮肥。然而，豆科植物如何精准识别并选择“匹配”的根瘤菌一直是科学界关注的焦点。
破解共生密码：类黄酮与NodD的作用
多年研究表明，豆科植物的根系分泌一种叫做“类黄酮类化合物”的化学信号，这如同一把特制的“信号钥匙”。根瘤菌内的NodD转录因子则像“分子锁”，能够识别匹配的“信号钥匙”，从而启动共生程序。这一识别与激活过程被认为是决定共生特异性的关键。
Jeremy Murray团队与张余团队经过数年研究，揭示了豌豆根瘤菌NodD蛋白的配体结合结构域通过两个蛋白口袋识别橙皮素的机制。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。
深入分析：特异性识别的结构基础
进一步分析显示，NodD的三个关键结构元件形成识别配体的“结合口袋”，能够适配橙皮素等黄酮分子，而无法适配异黄酮和紫檀烷等其他类黄酮类化合物。这从结构角度解释了根瘤菌NodD为何能够特异性地被类黄酮类分子激活。
研究人员还比较了苜蓿根瘤菌NodD与豌豆根瘤菌NodD，尽管二者整体相似度高达80%，但它们对类黄酮类化合物的响应偏好非常不同。通过区域交换实验和大量的点突变实验，研究人员锁定了决定根瘤菌对不同类黄酮响应特异性的关键氨基酸。
应用前景：人工设计高效固氮体系
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。这一改造使豌豆根瘤菌NodD能够响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，并展现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的结瘤固氮能力。
“这是我从事科研20多年来一直想回答的科学问题，来到上海，让我实现了这个梦想。”——Jeremy Murray
Jeremy Murray表示，这项研究不仅解答了豆科植物与根瘤菌如何通过类黄酮与NodD实现信号特异识别的科学问题，更为未来通过精准改造NodD蛋白，定制适应特定作物的高效固氮菌株，甚至推动水稻、玉米等非豆科作物建立类似共生关系奠定了基础。
上海的科研环境：梦想实现的沃土
Jeremy Murray在2017年加入中国科学院分子植物科学卓越创新中心之前，曾在英国约翰英纳斯中心担任研究组长。尽管在英国不愁研究经费，但团队规模受限，很多想法无法尝试。来到上海后，他的团队规模扩大了近一倍，科研环境的改善让他得以实现多年的科研梦想。
这项研究成果不仅为科学界提供了新的见解，也为农业的可持续发展提供了新的解决方案。未来，随着更多类似研究的开展，农业对化肥的依赖有望进一步减少。
