中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 植物經(jīng)過長期的演化和適應(yīng)得以在不同環(huán)境中生長發(fā)育和繁衍后代。“高等植物如何調(diào)控生長發(fā)育以適應(yīng)環(huán)境變化”被《Science》雜志列為125個人類未知的重大科學(xué)問題。

獨腳金內(nèi)酯是近年來發(fā)現(xiàn)的一種重要植物激素，在調(diào)控植物分枝（即分蘗）數(shù)目這種生長發(fā)育關(guān)鍵性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團隊在該領(lǐng)域研究占據(jù)國際領(lǐng)先地位，相關(guān)成果入選2014年度中國科學(xué)十大進展。近日，遺傳發(fā)育所青年研究員王冰等人發(fā)現(xiàn)了植物激素獨腳金內(nèi)酯信號感知機制及其在氮素響應(yīng)中的關(guān)鍵作用，闡明了植物如何通過調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號感受途徑中的“油門”和“剎車”，“聰明靈活”地調(diào)控不同環(huán)境中獨腳金內(nèi)酯信號感受的持續(xù)時間和信號強度，進而改變植物株型。該研究成果于2024年11月4日23點（北京時間）在國際頂尖期刊《Cell》在線發(fā)表。

三位審稿人對此項研究均給予了高度評價，指出“該研究采用大量生化和遺傳數(shù)據(jù)系統(tǒng)解析了獨腳金內(nèi)酯信號感受的機制，揭示了信號感知機制的新特征”，認(rèn)為“該研究揭示了令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，比如發(fā)現(xiàn)了D14的翻譯后修飾（磷酸化）及其在低氮適應(yīng)中的作用”“該研究中D3能夠時序性地降解D53和D14進而協(xié)同植物中獨腳金內(nèi)酯信號的激活和終止過程是一個重要發(fā)現(xiàn)，該研究數(shù)據(jù)扎實、實驗設(shè)計精妙，解決了獨腳金內(nèi)酯信號感受中不同模型之間的爭議點，為獨腳金內(nèi)酯信號感受的調(diào)控機制提供了新的視角”。

在獨腳金內(nèi)酯信號轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域，過去十五年的研究發(fā)現(xiàn)α/β水解酶DWARF14 (D14)及其同源蛋白是獨腳金內(nèi)酯的受體，與D3、D53蛋白相互作用，從而觸發(fā)下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。植物細胞如何感受獨腳金內(nèi)酯一直是該研究領(lǐng)域的前沿和難點，科學(xué)家對信號感知機制存在爭議。

為了解析獨腳金內(nèi)酯信號感受的關(guān)鍵機制，王冰等人系統(tǒng)分析了在D14與D3、D53蛋白相互作用中發(fā)揮重要功能的氨基酸位點，進而基于生化和遺傳數(shù)據(jù)，揭示了獨腳金內(nèi)酯信號感受模型，即D3具有兩種拓撲構(gòu)象。

在解析獨腳金內(nèi)酯信號啟動機制的基礎(chǔ)上，研究人員進一步分析了獨腳金內(nèi)酯信號感受的終止機制。前期研究發(fā)現(xiàn)獨腳金內(nèi)酯促進擬南芥和水稻中D14蛋白發(fā)生泛素化修飾和降解，但是D14降解的機制和功能尚不清楚。通過巧妙的實驗設(shè)計，王冰等人發(fā)現(xiàn)D14的泛素化和蛋白降解依賴于D14與D3的直接相互作用，并且需要D14蛋白通過N端的無序結(jié)構(gòu)域（N-terminal disordered domain, NTD）與26S蛋白酶體直接相互作用。這是一種在高等植物中尚未報道的新機制。

D3作為E3連接酶中識別底物的亞基，首先促使D53泛素化和降解來啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨后促使D14發(fā)生泛素化和降解來終止信號感受。這就構(gòu)成了植物細胞中信號傳導(dǎo)的一對“油門”和“剎車”，能夠精確地調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號感受的持續(xù)時間和信號強度。

更為有趣的是，D14的NTD結(jié)構(gòu)域可以被磷酸化修飾，抑制D14的泛素化修飾和蛋白降解，進而調(diào)控水稻的分蘗發(fā)育。低氮環(huán)境增強了D14的磷酸化修飾進而抑制蛋白降解，增強獨腳金內(nèi)酯信號感受。遺傳分析進一步證明了D14在N端的磷酸化是低氮信號調(diào)控水稻分蘗的重要機制。對D14的磷酸化位點進行精準(zhǔn)改良，能夠顯著降低水稻分蘗對氮肥的依賴性，實現(xiàn)“減氮肥少減分蘗”甚至“減氮肥不減分蘗”。

結(jié)合已有研究結(jié)果，王冰等人提出低氮環(huán)境一方面通過誘導(dǎo)獨腳金內(nèi)酯合成增強信號感知，另一方面通過促進D14的磷酸化抑制蛋白降解，進而降低獨腳金內(nèi)酯信號感受的終止（圖1）。兩種機制協(xié)同增強了獨腳金內(nèi)酯途徑的功能，實現(xiàn)對分蘗數(shù)目的抑制。

圖1 水稻獨腳金內(nèi)酯信號感受及其在低氮中的作用模型

（A）D14作為獨腳金內(nèi)酯受體發(fā)揮作用，并與D3形成復(fù)合物，D3通過改變其CTH基序顯示出兩種拓撲構(gòu)象。D14和Engaged CTH構(gòu)象D3之間的相互作用觸發(fā)D53的泛素化和降解，以啟動SL信號傳導(dǎo)并抑制分蘗。具有dislodged CTH構(gòu)象D3可能會使D14處于“遲鈍”狀態(tài)，以減弱SL感知并抑制D53降解。D53降解后，D14被SCFD3復(fù)合物進一步泛素化，并以NTD依賴的方式降解，導(dǎo)致獨腳金內(nèi)酯信號感受的終止。D14磷酸化主要發(fā)生NTD結(jié)構(gòu)域，以抑制其自身的泛素化和降解。

（B）低氮增強D14磷酸化以穩(wěn)定D14，導(dǎo)致獨腳金內(nèi)酯信號感受延遲終止。低氮也會提高獨腳金內(nèi)酯生物合成以增強信號感受。這些機制協(xié)同確保了強烈的獨腳金內(nèi)酯信號傳導(dǎo)并抑制分蘗發(fā)育，從而調(diào)節(jié)了低氮的發(fā)育可塑性。

該研究成果闡明了水稻中由獨腳金內(nèi)酯受體D14介導(dǎo)的信號感知的激活、調(diào)控和終止機制，解決了獨腳金內(nèi)酯信號感知機制的爭議問題，發(fā)現(xiàn)了在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調(diào)控機制，揭示了D14通過磷酸化調(diào)控自身穩(wěn)定性的新機制以及該機制在水稻分蘗響應(yīng)低氮環(huán)境中的核心作用。通過改變D14的磷酸化狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)降低氮肥投入而不減少分蘗，對作物株型的精準(zhǔn)改良以及減肥增產(chǎn)水稻新品種的分子設(shè)計育種具有重要指導(dǎo)意義。

中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所博士后胡慶亮是該論文的第一作者，王冰研究員為通訊作者，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/崖州灣國家實驗室李家洋院士對本研究進行了重要指導(dǎo)。