【助力科研】全式金生物助力破解豆科植物与根瘤菌的共生特异性密码

文章信息

文章题目：The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids

期刊：Science

发表时间：2026 年 1 月 9 日

主要内容：中国科学院分子植物科学卓越创新中心 Jeremy Murray 团队与张余团队合作在 Science 上在线发表题为“The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids”的科研论文。该研究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。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.aec3061

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The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids

背景介绍

豆科植物与根瘤菌通过共生形成的根瘤器官是自然界的高效氮肥工厂。植物为根瘤菌提供碳源，根瘤菌则将空气中的氮气转化为植物可用的氮。已有研究表明豆科植物与根瘤菌的共生依赖于特异性识别：豆科植物根系分泌的类黄酮化合物作为“信号钥匙”，被根瘤菌的转录因子 NodD 识别，从而启动共生程序。然而，根瘤菌的 NodD 如何特异性识别类黄酮类化合物，一直是该领域备受关注且尚未完全阐明的科学问题。

文章概述

本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属首次发现，结构分析揭示，NodD 的三个关键元件构成的“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。

研究人员比较发现，虽然豌豆和苜蓿根瘤菌的 NodD 蛋白整体相似度高达 80%，但二者对类黄酮的响应偏好截然不同：前者响应黄烷酮/黄酮，后者响应查尔酮。通过区域交换与点突变实验，研究人员锁定了几个位于关键结构元件上的氨基酸残基，证明这些残基决定了响应特异性。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，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在共生特异性识别中的决定性作用。

这种精确识别是两者在长期协同进化中形成的“双重锁-钥”机制。根瘤菌识别植物发出的独特信号，而植物则识别根瘤菌反馈的特异性信号。这种机制有效防止了多种豆科植物相邻生长时发生配对混淆。这项成果不仅解答了豆科植物与根瘤菌如何通过类黄酮与 NodD 实现信号特异识别这一科学问题，更开辟了人工设计高效固氮体系的新路径。

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使用 2×EasyTaq^® PCR SuperMix (AS111) 产品发表的部分文章：

• Li D, Liu Y, Yi P, et al. RNA editing restricts hyperactive ciliary kinases[J]. Science, 2021.(IF 63.71)

• Ruan Y, Dong S, Jiang S, et al. The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids[J]. Science, 2026.(IF 45.80)

• Vizueta J, Xiong Z J, Ding G, et al. Adaptive radiation and social evolution of the ants[J]. Cell, 2025.(IF 45.60)

• Han D, Liu J, Chen C, et al. Anti-tumour immunity controlled through mRNA m6A methylation and YTHDF1 in dendritic cells[J]. Nature, 2019.(IF 43.07)

• Wang M, Zhang S, Zheng G, et al. Gain-of-function mutation of Card14 leads to spontaneous psoriasis-like skin inflammation through enhanced keratinocyte response to IL-17A[J]. Immunity, 2018, (IF 25.50)

• Liu W, Yao Q, Su X, et al. Molecular insights into Spindlin1-HBx interplay and its impact on HBV transcription from cccDNA minichromosome[J]. Nature Communications, 2023.(IF 16.60)

• Wang X, Liu C, Zhang S, et al. N6-methyladenosine modification of MALAT1 promotes metastasis via reshaping nuclear speckles[J]. Developmental cell, 2021.(IF 10.09)