Ученые расшифровали «секретный код» симбиоза бобовых и бактерий

Исследователи впервые определили высокоразрешенную кристаллическую структуру комплекса, образованного белком NodD ризобий гороха и флавоноидным соединением гесперетином. Работа, опубликованная в журнале Science, объясняет, как NodD распознает флавоноиды и какие структурные элементы определяют специфичность этой сигнальной системы.

Связывающие карманы гесперетина в Rlv3841 NodD-EBD. Автор: Science (2026). DOI: 10.1126/science.aec3061

Корневые клубеньки, образующиеся в симбиозе бобовых растений (например, сои и люцерны) и почвенных бактерий ризобий, служат эффективными природными заводами по производству азотных удобрений. Растения поставляют бактериям углерод, а те фиксируют атмосферный азот в доступной для растений форме.

Корни бобовых выделяют химический сигнал — флавоноиды, который распознается транскрипционным фактором NodD у ризобий. Однако механизм этой специфичной идентификации долгое время оставался загадкой.

Профессор Джереми Мюррей (справа) обсуждает работу с профессором Чжан Юем (слева). Автор: CEMPS

Команды Джереми Мюррея и Чжан Юя из Центра передового опыта в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук обнаружили, что лиганд-связывающий домен белка NodD ризобий гороха распознает гесперетин через два связывающих кармана: один находится внутри мономера белка, а другой — на границе димера. Такая конформация связывания наблюдается впервые среди известных регуляторов семейства NodD.

Анализ показал, что NodD содержит три ключевых активационных домена и специфичные аминокислоты, которые вместе формируют «связывающий карман», подходящий для таких флавоноидов, как гесперетин, но не для других классов, например, изофлавонов. Это объясняет, почему NodD активируется только определенными флавоноидами.

Ученые сравнили белки NodD ризобий люцерны и гороха. Несмотря на 80% сходство, их «предпочтения» к флавоноидам сильно различаются: NodD гороха реагирует в основном на флаваноны/флавоны, а NodD люцерны — на халконы. Эксперименты по замене доменов и точечным мутациям выявили несколько ключевых аминокислот, определяющих способность бактерий реагировать на разные типы флавоноидов.

Исследователи полагают, что такая специфичность — результат миллионов лет коэволюции в общих средах обитания. Чтобы обеспечить успешное партнерство, каждый вид точно идентифицирует свой предпочтительный штамм ризобий через взаимную систему «двойного замка и ключа»: бактерии распознают уникальный флавоноидный сигнал растения, а растение, в свою очередь, распознает специфичный ответный сигнал. Это предотвращает путаницу, когда рядом растут разные виды.

Исследование не только отвечает на вопрос, как бобовые и ризобии достигают специфического распознавания сигналов, но и открывает путь к проектированию эффективных, специфичных для культур «индивидуальных» ризобий. Это может помочь расширить азотфиксирующий симбиоз на небобовые культуры, такие как рис и кукуруза, и снизить зависимость сельского хозяйства от химических азотных удобрений.

Больше информации: Yiting Ruan et al, The molecular basis of the binding and specific activation of rhizobial NodD by flavonoids, Science (2026). DOI: 10.1126/science.aec3061

Источник: Chinese Academy of Sciences