科学家破解豆科植物与根瘤菌的共生密码_热点

科学家破解豆科植物与根瘤菌的共生密码

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2026-01-09 11:04:45

来源：央视新闻客户端

记者从中国科学院分子植物科学卓越创新中心获悉，该中心科研团队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。该研究成果1月9日在国际学术期刊《科学》在线发表。

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。在该器官中，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。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？

△豌豆根瘤菌NodD蛋白与橙皮素复合物的结构示意图

研究人员发现，根瘤菌中的NodD蛋白如同一个精密的分子锁，其结合口袋的形状和关键氨基酸的排列，决定了它能被哪一种类黄酮所激活。正是这些微小的结构差异，构成了不同豆科植物与其专属根瘤菌伙伴之间识别的分子基础。

进一步研究发现，将苜蓿根瘤菌NodD1蛋白中负责信号识别激活的关键氨基酸，“移植”到豌豆根瘤菌NodD上后，包含改造的豌豆根瘤菌NodD的苜蓿根瘤菌竟能成功被苜蓿发出的类黄酮信号所触发，并展现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的固氮能力。这个精巧的“分子嫁接”实验，以最直接的方式证明：正是NodD蛋白上这几个位置的氨基酸，如同锁芯中的关键齿纹，决定了共生伙伴识别的特异性。

△嵌合体NodD能够互补苜蓿根瘤菌NodD突变体，恢复其在苜蓿上的固氮结瘤能力

这项研究为构建广谱宿主根瘤菌及高效人工固氮系统提供了重要理论依据。未来通过精准改造NodD蛋白，不仅能定制适应特定作物的高效固氮菌株，实现“一对一”靶向固氮，更为推动水稻、玉米等非豆科作物建立类似共生关系，减少农业化肥使用，打下了坚实的理论基础。

（总台央视记者帅俊全褚尔嘉）

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