中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊 植物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演化和適應(yīng)得以在不同環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)育和繁衍后代?！案叩戎参锶绾握{(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育以適應(yīng)環(huán)境變化”被《Science》雜志列為125個(gè)人類未知的重大科學(xué)問(wèn)題。

獨(dú)腳金內(nèi)酯是近年來(lái)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(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用。中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域研究占據(jù)國(guó)際領(lǐng)先地位，相關(guān)成果入選2014年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)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(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知機(jī)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(guò)調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)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(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的持續(xù)時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而改變植物株型。該研究成果于2024年11月4日23點(diǎn)（北京時(shí)間）在國(guó)際頂尖期刊《Cell》在線發(fā)表。

三位審稿人對(duì)此項(xiàng)研究均給予了高度評(píng)價(jià)，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(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的機(jī)制，揭示了信號(hào)感知機(jī)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(shí)序性地降解D53和D14進(jìn)而協(xié)同植物中獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)的激活和終止過(guò)程是一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)，該研究數(shù)據(jù)扎實(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精妙，解決了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受中不同模型之間的爭(zhēng)議點(diǎn)，為獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的調(diào)控機(jī)制提供了新的視角”。

在獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域，過(guò)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(dú)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。植物細(xì)胞如何感受獨(dú)腳金內(nèi)酯一直是該研究領(lǐng)域的前沿和難點(diǎn)，科學(xué)家對(duì)信號(hào)感知機(jī)制存在爭(zhēng)議。

為了解析獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的關(guān)鍵機(jī)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(diǎn)，進(jìn)而基于生化和遺傳數(shù)據(jù)，揭示了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受模型，即D3具有兩種拓?fù)錁?gòu)象。

在解析獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)啟動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步分析了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的終止機(jī)制。前期研究發(fā)現(xiàn)獨(dú)腳金內(nèi)酯促進(jìn)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(jī)制和功能尚不清楚。通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，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(guò)N端的無(wú)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(bào)道的新機(jī)制。

D3作為E3連接酶中識(shí)別底物的亞基，首先促使D53泛素化和降解來(lái)啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨后促使D14發(fā)生泛素化和降解來(lái)終止信號(hào)感受。這就構(gòu)成了植物細(xì)胞中信號(hào)傳導(dǎo)的一對(duì)“油門”和“剎車”，能夠精確地調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的持續(xù)時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)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(jìn)而調(diào)控水稻的分蘗發(fā)育。低氮環(huán)境增強(qiáng)了D14的磷酸化修飾進(jìn)而抑制蛋白降解，增強(qiáng)獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受。遺傳分析進(jìn)一步證明了D14在N端的磷酸化是低氮信號(hào)調(diào)控水稻分蘗的重要機(jī)制。對(duì)D14的磷酸化位點(diǎn)進(jìn)行精準(zhǔn)改良，能夠顯著降低水稻分蘗對(duì)氮肥的依賴性，實(shí)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(guò)誘導(dǎo)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成增強(qiáng)信號(hào)感知，另一方面通過(guò)促進(jìn)D14的磷酸化抑制蛋白降解，進(jìn)而降低獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的終止（圖1）。兩種機(jī)制協(xié)同增強(qiáng)了獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)分蘗數(shù)目的抑制。

圖1 水稻獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受及其在低氮中的作用模型

（A）D14作為獨(dú)腳金內(nèi)酯受體發(fā)揮作用，并與D3形成復(fù)合物，D3通過(guò)改變其CTH基序顯示出兩種拓?fù)錁?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(dòng)SL信號(hào)傳導(dǎo)并抑制分蘗。具有dislodged CTH構(gòu)象D3可能會(huì)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(jìn)一步泛素化，并以NTD依賴的方式降解，導(dǎo)致獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)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(qiáng)D14磷酸化以穩(wěn)定D14，導(dǎo)致獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受延遲終止。低氮也會(huì)提高獨(dú)腳金內(nèi)酯生物合成以增強(qiáng)信號(hào)感受。這些機(jī)制協(xié)同確保了強(qiáng)烈的獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)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(dú)腳金內(nèi)酯受體D14介導(dǎo)的信號(hào)感知的激活、調(diào)控和終止機(jī)制，解決了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知機(jī)制的爭(zhēng)議問(wèn)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(jī)制，揭示了D14通過(guò)磷酸化調(diào)控自身穩(wěn)定性的新機(jī)制以及該機(jī)制在水稻分蘗響應(yīng)低氮環(huán)境中的核心作用。通過(guò)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(duì)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(jì)育種具有重要指導(dǎo)意義。

中國(guó)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(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/崖州灣國(guó)家實(shí)驗(yàn)室李家洋院士對(duì)本研究進(jìn)行了重要指導(dǎo)。