豆科植物与根瘤菌共生机制：古老领域的固氮合作新发现

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最传统的领域，也能结出最创新的硕果！

北京时间今天（9日）凌晨，中国科学院分子植物科学卓越创新中心杰睿（Jeremy Murray）团队与张余团队合作在国际顶尖期刊《科学》（Science）上发表了最新成果，合作解析了豆科植物与根瘤菌的共生密语。

这是分子植物卓越中心2026年的“开门红”，也是这位加拿大籍科学家来到中国8年来的第二篇“CNS”（指《细胞》《自然》《科学》“三大刊”）。

值得一提的是，据相关统计，分子植物卓越中心在2025年发表了13篇CNS，尽管研究所体量不大，在国内生命科学领域研究机构里，CNS数量并列排到第三。新年伊始就迎来突破性成果，无疑开了个好头。

杰睿研究员（右）与张余研究员（左）在讨论工作

“信号钥匙”和“分子锁”的精准结合

说领域传统，是因为共生固氮是个很古老的科学问题了。

要知道，在豆科植物（如大豆、苜蓿）根系周围的土壤里，日复一日发生着精妙的生命体之间的合作——豆科植物与根瘤菌共生互作形成根瘤，植物为根瘤菌提供必需的碳源作为回报，根瘤菌凭借独特的固氮能力，将空气中的氮气转化为植物可利用的养分，二者形成了高效互利的固氮共生关系。

不过，这桩完美的合作始于精准的身份验证。植物根部会释放一种名为“类黄酮类化合物”的化学信号，它如同一把特制的“信号钥匙”，只有当携带与之匹配的“分子锁”——名为NodD的转录因子靠近时，这把钥匙才能与之精准结合，从而触发共生程序。

然而，为什么植物分泌的类黄酮与根瘤菌的NodD蛋白之间能够实现如此专一高效的识别与激活，这背后的分子机制困扰了科学家数十载。

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

“我们发现，根瘤菌中的NodD蛋白就像一把分子锁，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。”杰睿解释，“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。”

为高效人工固氮提供理论依据

进一步研究发现，将苜蓿根瘤菌NodD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。

豌豆根瘤菌NodD蛋白与橙皮素复合物的结构示意图

这个精巧的“分子嫁接”实验直接证明，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。

“豆科植物和根瘤菌像长期合作的舞伴，成功的舞者必定熟知搭档的每一个舞步，只有一同训练过的搭档配合，才能成功共舞。”杰睿打比方说。

科研人员表示，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。

“非豆科固氮，在国际共生固氮领域，是大家追求的长远目标。”分子植物卓越中心党委副书记张余研究员透露，“中心有数个课题组围绕‘非豆科固氮’领域在攻关，国际上也有多团队在关注，盖茨基金会也有针对性资助。”

要做“有穿透力”的研究

对于分子植物卓越中心的新一年，中国科学院院士韩斌是充满信心的，用他的话来说，中心极少出现“昙花一现”的课题组，“冒头”的基本上都后劲十足。

“现在，强调体制化、建制化科研，我们不会为了研究所的‘生存’而去发一些‘短平快’的文章，要聚集重大科学问题，做有创新性的成果。”韩斌告诉新民晚报记者，2026年，分子植物卓越中心还是“有所为，有所不为”，将经费、人才都倾向重点布局的方向上。

记者注意到，去年分子植物卓越中心发表的13篇“CNS”论文中，相当比例是课题组合作结出的成果。韩斌透露，中心鼓励“合作为基础、目标为导向”的团队，不要“大而全”，但务必有创新性，有穿透力。

“杰睿来到中心做科研，也给中心带来了很好的国际影响力。他曾多次表达，只有在上海才可能做出这么棒的工作，这里的支持力度和团队都非常出色。”张余说。

原标题：《古老领域结出创新成果！豆科植物与根瘤菌的完美合作，始于这样的“身份验证”》

栏目编辑：马丹