上海科学家解决了长达20年的植物难题；水稻和玉米有望建成“固氮工厂”

杰锐研究员（左）和张宇研究员（右）讨论他们的研究。 1月9日一早，国际知名学术期刊《科学》在线发表了上海科学家的一项重要发现。加拿大研究员杰瑞和中国科学院植物分子科学卓越中心的同事张宇解决了一个影响植物界20多年的难题。他们破解了豆类和根瘤菌共生配对的密码，还使用了基因编辑技术。让豌豆根瘤菌和苜蓿根形成共生伙伴。到达上海八年后，55 岁的杰瑞在《科学》杂志上发表了他的第二篇论文。他说：“只有中国才能做得这么好。”未来，该公司计划进行更细致的研究，目标是在水稻、小麦等作物中打造“工厂化的天然固氮机制”，解开根系与细菌之间的共生密码。a 在豆科植物中 自然界中，大豆、苜蓿等豆科植物的根部与根瘤菌共存，形成根瘤器官，是高效的天然“氮肥工厂”。但一直令科学家困惑的是，虽然豆科植物的种类只有两万多种，但根瘤菌的种类却有数十万种。他们如何匹配“密码”并选择正确的共生伙伴？ 2017 年，47 岁的杰里米 (Jeremy) 来到分子植物科学卓越中心，决心揭开豆类“固氮”的奥秘。豆类，其结果发表在《科学》杂志上“我一直很好奇，想知道豆类如何与它们最喜欢的根瘤菌相互‘发出信号’。” Jerry承认，很多同事都尝试过解决这个问题，但都失败了。根瘤菌蛋白NodD很难结晶，因此很难阐明其结构。植物分子中心是国际公认的基础研究中心在植物科学中心，杰瑞得到了所有利益相关者的高度支持。张宇是生物领域的“顶尖专家”，尚志试验了多种方法，最终获得了高质量的NodD蛋白晶体。豌豆根瘤菌和橙皮素的NodD蛋白复合物结构示意图 他们将样品送到上海光源，立即分析了蛋白结构。一旦障碍得到解决，研究进展将加速。根瘤菌蛋白NodD具有三个关键结构元件，形成配体识别的“结合口袋”。它们就像钥匙一样，只有来自植物根部的特定黄酮类分子才能像钥匙一样解锁和激活NodD。即使两种豆科植物彼此相邻生长，根瘤菌也不会混淆它们的“共生伙伴”。希望通过“交换舞伴”，水稻和玉米也能够固氮。研究小组还比较了苜蓿根瘤菌和豌豆根瘤菌中的NodD。尽管他们有 80% 的相似度，但他们对“关键”黄酮类化合物的反应偏好却截然不同。在他们设计的一项巧妙的实验中，他们将苜蓿根瘤菌的关键“岩石核心”移植到豌豆根瘤菌NodD中，后者也能够响应苜蓿根部分泌的黄酮类信号，并表现出与alfalfa.fa野生型根瘤菌类似的结瘤和固氮能力。 NodD嵌合体可能相互作用，将NodD突变体招募到苜蓿根瘤菌中，以恢复苜蓿固氮和结瘤的能力。 “事实上，苜蓿根瘤菌中的NodD基因和黄酮类信号分子在几十年前就被发现了。”中国科学院植物卓越创新中心主任、院士韩斌说，NodD基因是他的导师首先克隆的。这样一个经典而古老的领域，怎么可能在今天还能取得新的进展呢？杰瑞将此归因于上海综合性的科研环境，尤其是植物分子中心的跨学科氛围。论文共同资深作者阮一婷表示，无论遇到什么问题，足不出户都可以找到合作伙伴来解决。一流的结合实验平台的支持，大大加快了探索的进程。 “这只是第一步。豆类和根瘤菌之间的相互识别仍然是一个有待解决的谜团。”杰瑞将根和细菌之间的共生关系描述为一对“舞伴”。现在，团队第一次看到了“交换舞伴”的道路。未来，这将为使用基因编辑和其他方法精确转换NodD蛋白以人工设计高效固氮系统开辟新途径。未来，水稻、玉米等非豆类作物或许有可能拥有自己的“固氮工厂”，减少农业生产重新依赖化肥。
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