豆科植物距今已有约6000万年的演化历史，相较水稻和玉米，其最神奇之处在于它可以和土壤中的根瘤菌共生，将空气中的氮气转化为豆科植物可利用的养分，从而减少氮肥的使用。 如此独特精妙的生命体之间的合作，始于精准的“身份验证”——豆科植物根部会释放一种名为“类黄酮类化合物”的化学信号，如同一把特制的“钥匙”；只有携带了“分子锁”即NodD蛋白的根瘤菌靠近时，这把“钥匙”才能与之匹配，从而触发共生程序。然而，“钥匙”和“分子锁”之间，为何能够实现如此专一、高效的识别与激活？这成为困扰科学家数十年的核心谜题。 北京时间2026年1月9日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心加拿大籍科学家杰睿（Jeremy Murray）团队与张余团队合作，在国际权威学术期刊《科学》上发表突破性研究成果，首次在分子层面阐明了这一现象背后的核心机制。 大自然有两万多种豆科植物和约数十万种根瘤菌。研究人员发现，根瘤菌中的NodD蛋白如同一个精密的分子锁，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。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。 研究人员比较了苜蓿与豌豆的根瘤菌NodD，尽管二者整体相似度高达80%，但是它们对类黄酮类化合物的响应“偏好”非常不同。进一步研究发现，将苜蓿根瘤菌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，它也能响应苜蓿根部分泌的类黄酮信号，并展现出与野生型苜蓿根瘤菌相似的固氮能力。这个精巧的“分子嫁接”实验，以最直接的方式证明：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。 这项成果不仅解答了科学问题，更为人工设计高效固氮体系开辟了新路径。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，打下了坚实理论基础。 今年是杰睿全职加入分子植物科学中心的第8年，这也是他来到上海后第二次以通讯作者身份在国际权威学术期刊《科学》上发表论文。 为何选择在上海工作？这是杰睿经常被问到的一个问题。去年一位英国官员访问分子植物科学中心时也问了他同样的问题。“只有在上海我做出了这么好的研究！”杰睿如是回答。 此前他在英国约翰·英纳斯中心工作，两位中国同事谢芳和王二涛先后来到了分子植物科学中心，并做出了出色的研究。“上海这家研究机构当时在国际上就已非常出名，再加上我的妻子是一位中国人，我想来上海看一看。” 尽管至今只会说简单的中文，但他表示上海是一座国际化城市，生活非常便利。“说到科学工作，可能很多外国人不会第一个想到中国，但这里确实是一个很不错的选择。我在上海的研究组规模比之前的都大，许多想要做的研究都可以去探索。” 分子植物科学中心为杰睿配备了科研“管家”，处理各种日常事务，这样他可以专注于自己感兴趣的固氮研究。而能否把与豆科植物固氮相关的基因放到玉米、水稻等非豆科植物中去，使它们也能够将空气中的氮气转化为可利用的养分，是国际上的一个前沿科学问题，比尔·盖茨基金会也在国外连续资助相关研究。
