青年报·青春上海记者 刘晶晶/文 受访者/图

在自然界中，豆科植物如大豆、苜蓿的根部与根瘤菌形成的共生根瘤，堪称高效的天然氮肥工厂。植物提供碳源，根瘤菌则将空气中的氮气转化为植物可利用的氮肥。然而，土壤中微生物种类繁多，豆科植物如何精准识别并只允许“情投意合”的根瘤菌进入根部结瘤？这一“共生密码”的分子机制，一直是科学界亟待解答的核心问题。

北京时间2026年1月9日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心（以下简称“分子植物中心”）在解决这一难题上取得了突破。该中心Jeremy Murray团队与张余团队合作，在国际顶级学术期刊《科学》（Science）上发表了题为《类黄酮类化合物特异性结合激活根瘤菌NodD分子机制研究》的研究论文。该研究首次成功解析了关键蛋白与信号分子的复合物结构，从原子层面揭开了豆科植物与根瘤菌之间“锁钥识别”的神秘面纱，为未来人工设计高效共生固氮体系奠定了关键理论基础。

首次“看见”特异性识别的分子细节

已知豆科植物根系会分泌一类称为“类黄酮类化合物”的化学信号，如同一把特制的“信号钥匙”。而根瘤菌细胞内名为NodD的转录因子，则像一把“分子锁”，负责识别匹配的钥匙，从而启动共生程序。然而，这把“锁”究竟如何特异性识别不同“钥匙”，其精细结构一直未知。

本研究首次成功解析了豌豆根瘤菌NodD蛋白与其匹配的类黄酮信号分子——橙皮素结合的高分辨率三维结构。“我们第一次亲眼看到了信号分子如何精确地嵌入NodD蛋白的‘口袋’中。”论文共同通讯作者张余研究员解释道。研究团队发现，NodD通过一个位于蛋白单体的口袋和一个位于二聚体界面上的口袋，共同“抓住”橙皮素分子，这种独特的结合方式在同类蛋白家族中尚属首次发现。

结构分析进一步揭示了特异性的根源：NodD蛋白上三个关键结构元件共同形成了一个精确的“结合口袋”，其形状和化学性质恰好能适配橙皮素这类黄酮分子，却无法有效结合其他类别的类黄酮。这从结构生物学角度完美解释了为何特定的根瘤菌只响应特定植物分泌的信号。

为了验证这一发现，团队进行了巧妙的“移植”实验。他们将主要响应查尔酮（另一类类黄酮）的苜蓿根瘤菌NodD中的三个关键结构域，“嫁接”到原本主要响应黄酮的豌豆根瘤菌NodD上。结果，改造后的“嵌合体”NodD成功转变了“口味”，能够识别苜蓿根分泌的信号，并引导根瘤菌在苜蓿上形成有固氮功能的根瘤。“这直接证明了这三个关键区域就是决定共生配对特异性的‘密码”。Jeremy Murray研究员表示。

为何需要如此精确的识别？研究认为，这是数百万年协同进化的结果。在多种豆科植物混生的自然环境中，这种“双重锁-钥”机制能确保每种植物都能找到最适合自己的共生伙伴，避免“配错对”，从而建立高效的共生关系。

这项突破性工作不仅解答了长期存在的科学问题，更具重大的应用潜力。通过对NodD蛋白的精准设计改造，未来有望定制出与特定作物高效匹配的固氮菌株，实现“一对一”靶向增效，并为最终在水稻、玉米等非豆科作物中构建人工共生固氮体系提供了全新的理论和技术路径。

攻坚克难中凸显年轻力量

分子植物中心主任韩斌院士在评价这项成果时，特别强调了团队中年轻科研人员的贡献。他指出，该中心近年来着力打造建制化、富有创新活力的研究团队，聚焦重大基础科学问题，而非追逐“短平快”的研究。“我们所很少有昙花一现的实验室，一旦冒出头，后劲都很足。”韩斌说，“这背后是大量年轻人的勤奋与坚持。”

本次研究的两位共同第一作者——博士后阮怡婷和已出站博士后董尚志，正是这些优秀年轻科研人员的代表。

回顾研究历程时，阮怡婷说，挑战之一是如何将体内（植物与细菌实验）和体外（生化与结构分析）的大量数据有机融合，讲述一个完整、通顺的科学故事。“这得益于Jeremy Murray老师与张余老师课题组之间非常紧密无间的合作，”她说，“同时中心多学科交叉的环境让我们在遇到困难时，总能很快在内部找到不同领域的老师寻求帮助，这是非常宝贵的支持。”

董尚志主要负责关键的蛋白晶体结构解析工作。他回忆，最初尝试表达和纯化目标蛋白时屡屡受挫，一度让课题陷入停滞。“后来在张老师的鼓励和指导下，我们扩大了根瘤菌筛选范围，尝试了多种不同来源的NodD蛋白以及不同的实验方法，最终才成功获得了高质量的蛋白晶体并解析出结构。”

张余研究员告诉记者，董尚志在博士高年级时接手这个极具挑战性的课题，能坚持下来并取得突破实属不易。“我们所的学生都非常勤奋努力，这是我们最宝贵的财富。”

国际合作营造一流科研生态

这项高水平研究也是分子植物中心持续推进国际化战略和跨学科平台建设的缩影。论文共同通讯作者Jeremy Murray研究员是该中心通过中英联合中心等机制引进的首批优秀外籍科学家之一，在沪工作已八年。他表示：“合作是关键，如此复杂的工作无法独自完成。上海的科研和生活环境非常便利，研究所的国际合作氛围也越来越好。”

Jeremy Murray希望未来能有更多国际学生和学者到访交流。“科学是一项国际性事业，接触更多不同的观点和面孔，对科学发展大有裨益。”韩斌院士对此深表赞同。据介绍，中心新近获批了上海市国际联合实验室等，希望营造更开放、活跃的国际化学术环境。

韩斌指出，建设国际一流的研究所需具备三大要素：一流的人才、多学科的交叉融合、以及先进的支撑平台。“过去我们在技术平台方面有短板，现在通过加强建设，例如高水平蛋白质结构分析平台，有力支撑了像本次研究在内的一系列高水平工作。”他强调，中心未来的学科布局和资源投入将继续导向这些重大方向和团队协作，鼓励坐稳“冷板凳”，攻克像共生固氮中特异信号识别这样古老而重要的科学难题。

“国家支持基础研究，我们更要聚焦真正有突破性、系统性的重大科学问题。”韩斌总结道，“看到像80后的张余、Jeremy这样年轻的团队负责人，带领着一批90后甚至00后的学生，做出这样优秀的工作，我们对未来充满信心，中国植物科学有潜力在国际舞台上做出更多被广泛认可的原创贡献。”

青年报·青春上海记者 刘晶晶/文 受访者/图

编辑：李宇婷

来源：青春上海News—24小时青年报