1月9日凌晨,国际顶级学术期刊《科学》发表了一项来自中国的重要科研成果。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员杰睿与张余带领团队,成功揭示了豆科植物与根瘤菌之间精准识别与配对的分子机制,并通过基因编辑技术实现了跨物种根瘤菌的共生改造。
这一发现不仅解答了植物学领域长期存在的科学疑问,更为培育具有自主固氮能力的粮食作物开辟了全新路径。
长期以来,豆科植物因其根部能与根瘤菌形成共生关系,建立高效的生物固氮系统而备受关注。
这种天然的氮素获取方式无需施用化肥,既经济又环保。
然而,自然界中豆科植物仅有两万余种,根瘤菌却多达数十万种,两者如何在复杂环境中实现精准配对,始终是困扰科学界的重大难题。
多年来,国际上众多研究团队试图攻克这一课题,但均因关键蛋白质难以获得高质量晶体而陷入僵局。
2017年,加拿大籍研究员杰睿加入分子植物科学卓越创新中心,将破解豆科植物固氮机制作为主攻方向。
在国内一流科研平台和跨学科协作优势支持下,他与结构生物学专家张余研究员组建联合攻关团队。
经过多年持续探索,团队成员董尚志博士后突破技术瓶颈,成功制备出根瘤菌NodD蛋白的高质量晶体,并借助上海光源大科学装置完成结构解析。
研究发现,根瘤菌NodD蛋白包含三个关键结构单元,共同构成识别配体的结合位点。
这一结构如同特制的锁具,只能被植物根系分泌的特定类黄酮分子打开。
即便不同豆科植物紧密相邻生长,根瘤菌也能通过这套分子识别系统准确找到匹配的宿主。
进一步研究表明,虽然苜蓿根瘤菌与豌豆根瘤菌的NodD蛋白相似度高达80%,但两者对类黄酮信号的响应特异性存在显著差异。
更具突破意义的是,研究团队通过精密的基因编辑手段,将苜蓿根瘤菌的关键识别元件移植到豌豆根瘤菌中,成功使改造后的豌豆根瘤菌获得了与苜蓿建立共生关系的能力,表现出与天然苜蓿根瘤菌相当的结瘤固氮效率。
这一实验证明,通过改造蛋白质识别位点可以人为调控根瘤菌的宿主选择范围,为未来将固氮能力引入非豆科作物提供了可行方案。
中国科学院院士、分子植物科学卓越创新中心主任韩斌指出,虽然根瘤菌NodD基因和类黄酮信号分子在数十年前已被发现,但其精确的相互作用机制和结构基础一直未能阐明。
此次研究不仅填补了基础理论空白,更为农业生物技术创新开辟了新方向。
据了解,氮素是植物生长必需的营养元素,全球农业每年消耗化学氮肥超过一亿吨,不仅成本高昂,过量使用还会造成水体污染和温室气体排放等环境问题。
如果能够让水稻、小麦、玉米等主要粮食作物像豆科植物一样具备生物固氮能力,将从根本上改变农业生产方式,产生巨大的经济效益和生态效益。
杰睿表示,来到中国八年间,得益于国内完善的科研基础设施和高效的协作机制,团队已两次在《科学》杂志发表重要成果。
下一步,研究团队将在现有基础上深入探索,尝试通过合成生物学等手段,逐步赋予非豆科作物建立根瘤共生体系的能力,最终实现主要粮食作物的自主固氮。
从揭示自然奥秘到改造生命系统，中国科学家正以原创性突破推动农业生产的范式变革。
这项研究不仅为作物育种开辟新路径，更彰显了基础研究"从0到1"突破的战略价值。
在全球粮食安全与生态环境压力日益凸显的背景下，中国科研团队用扎实的原始创新证明：解决人类共同挑战，需要各国科学家携手探索自然界的智慧密码。