上海科學家破解20多年植物學難題，水稻玉米有望擁有“固氮工廠”

傑睿研究員（左）與張餘研究員（右）在討論工作

1月9日凌晨，國際權威學術期刊《科學》在線發表了來自上海科學家重要發現：中國科學院分子植物科學卓越創新中心加拿大籍研究員傑睿與同事張餘研究員合作，解開了困擾植物學界20多年的難題——他們破譯了豆科植物與根瘤菌之間共生配對密碼，還通過基因編輯方法，讓豌豆根瘤菌與苜蓿根部結成共生夥伴。

來到上海8年，55歲的傑睿已是第二次在《科學》雜誌上發表論文。他說：“只有在中國，我才能做出這麼好的工作。”接下來，他準備通過更深入研究，嘗試讓水稻、小麥等更多作物擁有“天然固氮工廠”。

解開豆科植物根與菌的共生密碼

自然界中，大豆、苜蓿等豆科植物根部能與根瘤菌共生，形成高效的天然“氮肥工廠”——根瘤器官。不過，科學家一直不解的是，豆科植物只有兩萬多種，而根瘤菌多達幾十萬種，它們之間是如何對上“密碼”，選對共生夥伴的呢？

2017年，47歲的傑瑞米來到分子植物科學卓越創新中心，決意潛心破解豆科植物的“固氮”奧祕。僅用4年，他就帶領研究組發現了豆科植物“固氮”的新調控機制，成果登上《科學》。

“我一直很好奇，豆科植物是如何與心儀的根瘤菌相互‘對暗號’的。”傑睿坦言，曾有不少同行嘗試弄明白這個問題，均以失敗告終——瓶頸就在於，根瘤菌NodD的蛋白很難結晶，無法解析出其結構。

在分子植物中心這個國際公認的植物科學基礎研究高地，傑睿得到了各方高水平支持。張餘是結構生物學領域的“頂尖高手”，他的博士後、論文共同第一作者董尚志嘗試了多種辦法，終於獲得了NodD蛋白的高質量晶體。

豌豆根瘤菌NodD蛋白與橙皮素複合物的結構示意圖

他們把樣品送往上海光源，很快就解析出蛋白結構——瓶頸一旦突破，研究進度即刻快進。原來，根瘤菌的NodD蛋白有三個關鍵結構元件，形成識別配體的“結合口袋”。它們如同一把鎖，只有來自植物根部的特定類黃酮分子才能像鑰匙一樣，打開這把鎖，激活NodD——即使兩種豆科植物相鄰生長，根瘤菌也不會搞混“共生夥伴”。

“交換舞伴”有望讓水稻玉米也能固氮

研究團隊進一步比較了苜蓿根瘤菌和豌豆根瘤菌的NodD，儘管兩者相似度高達80%，但它們對類黃酮“鑰匙”響應偏好極爲不同。在他們設計的精巧實驗中，當苜蓿根瘤菌的關鍵“鎖芯”移植給豌豆根瘤菌的NodD後，豌豆根瘤菌NodD也能響應苜蓿根部分泌的類黃酮信號，並展現出與野生型苜蓿根瘤菌相似的結瘤固氮能力。

嵌合體NodD能夠互補苜蓿根瘤菌NodD突變體，恢復其在苜蓿上的固氮結瘤能力

“其實，根瘤菌NodD基因、類黃酮信號分子早在幾十年前就被發現。”中國科學院院士、植物卓越創新中心主任韓斌說，NodD基因就是其導師最早克隆出來的。

如此經典而古老的領域，爲何今天仍能取得新突破？傑睿將此歸功於上海的綜合科研環境，尤其是分子植物中心的多學科交叉氛圍。論文共同第一作者阮怡婷提到，無論遇到什麼難題，不出中心就能找到一同破題的合作伙伴，加上一流實驗平臺的支撐，探索進程大大加速。

“這還只是第一步，豆科植物與根瘤菌的相互識別，還有更多謎團要解。”傑睿將根與菌的共生形容成一對“共舞的伴侶”，如今團隊初窺到了“交換舞伴”的路徑，後續將通過基因編輯等手段精準改造NodD蛋白，開闢人工設計高效固氮體系的新路徑。未來，或許可讓水稻、玉米等非豆科作物也擁有自己的“固氮工廠”，減少農業對化肥的依賴。