植物經過長期的演化和適應得以在不同環境中生長發育和繁衍後代。“植物如何調控生長發育？它們如何適應環境變化？這是《科學》雜誌列出的125個人類未知的重大科學問題。
獨腳金內酯是近年來發現的一種重要植物激素，在調控植物分枝（即分櫱）數目這種生長發育關鍵性狀中發揮關鍵作用。遺傳發育所李家洋團隊在該領域研究佔據國際領先地位，相關成果入選2014年度中國科學十大進展。近日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋團隊的青年研究員王冰等人發現了植物激素獨腳金內酯訊號感知機制及其在氮素響應中的關鍵作用，闡明瞭植物如何透過調控獨腳金內酯訊號感受途徑中的“油門”和“剎車”，“聰明靈活”地調控不同環境中獨腳金內酯訊號感受的持續時間和訊號強度，進而改變植物株型。該研究成果於2024年11月4日在國際頂尖期刊Cell線上發表。
三位審稿人對此項研究均給予了高度評價，指出“該研究採用大量生化和遺傳資料系統解析了獨腳金內酯訊號感受的機制，揭示了訊號感知機制的新特徵”，認為“該研究揭示了令人興奮的新發現，比如發現了D14的翻譯後修飾（磷酸化）及其在低氮適應中的作用”，“該研究中D3能夠時序性地降解D53和D14進而協同植物中獨腳金內酯訊號的啟用和終止過程是一個重要發現，該研究資料紮實、實驗設計精妙，解決了獨腳金內酯訊號感受中不同模型之間的爭議點，為獨腳金內酯訊號感受的調控機制提供了新的視角”。
在獨腳金內酯訊號轉導領域，過去十五年的研究發現DWARF14 (D14)及其同源蛋白是獨腳金內酯的受體，與D3、D53蛋白相互作用，從而觸發下游訊號轉導。植物細胞如何感受獨腳金內酯一直是該研究領域的前沿和難點，科學家對訊號感知機制存在爭議。
為了解析獨腳金內酯訊號感受的關鍵機制，王冰等人系統分析了在D14與D3、D53蛋白相互作用中發揮重要功能的氨基酸位點，進而基於生化和遺傳資料，揭示了獨腳金內酯訊號感受模型，即D3具有兩種拓撲構象。其中，Engaged CTH構象的D3與D14相互作用誘導抑制蛋白D53發生泛素化和降解，以啟動獨腳金內酯訊號轉導，而Dislodged CTH構象的D3可能會促進D14進入“遲鈍”狀態或者干擾訊號感知複合物的形成，以減弱獨腳金內酯訊號感受（圖）。
在解析獨腳金內酯訊號啟動機制的基礎上，研究人員進一步分析了獨腳金內酯訊號感受的終止機制。前期研究發現獨腳金內酯促進擬南芥和水稻中D14蛋白髮生泛素化修飾和降解，但是D14降解的機制和功能尚不清楚。透過巧妙的實驗設計，王冰等人發現D14的泛素化和蛋白降解依賴於D14與D3的直接相互作用，並且需要D14蛋白透過N端的無序結構域（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連線酶中識別底物的亞基，首先促使D53泛素化和降解來啟動訊號轉導，隨後促使D14發生泛素化和降解來終止訊號感受。這就構成了植物細胞中訊號轉導的一對“油門”和“剎車”，能夠精確地調控獨腳金內酯訊號感受的持續時間和訊號強度。
更為有趣的是，D14的NTD結構域可以被磷酸化修飾，抑制D14的泛素化修飾和蛋白降解，進而調控水稻的分櫱發育。低氮環境增強了D14的磷酸化修飾進而抑制蛋白降解，增強獨腳金內酯訊號感受。遺傳分析進一步證明了D14在N端的磷酸化是低氮訊號調控水稻分櫱的重要機制。對D14的磷酸化位點進行精準改良，能夠顯著降低水稻分櫱對氮肥的依賴性，實現“減氮肥少減分櫱”甚至“減氮肥不減分櫱”。
結合已有研究結果，研究團隊提出低氮環境一方面透過誘導獨腳金內酯合成增強訊號感知，另一方面透過促進D14的磷酸化抑制蛋白降解，進而降低獨腳金內酯訊號感受的終止（圖）。兩種機制協同增強了獨腳金內酯途徑的功能，實現對分櫱數目的抑制。
該研究成果闡明瞭水稻中由獨腳金內酯受體D14介導的訊號感知的啟用、調控和終止機制，解決了獨腳金內酯訊號感知機制的爭議問題，發現了在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調控機制，揭示了D14透過磷酸化調控自身穩定性的新機制以及該機制在水稻分櫱響應低氮環境中的核心作用。透過改變D14的磷酸化狀態能夠實現降低氮肥投入而不減少分櫱，對作物株型的精準改良以及減肥增產水稻新品種的分子設計育種具有重要指導意義。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所博士後胡慶亮是該論文的第一作者，王冰研究員為通訊作者，中國科學院遺傳與發育生物學研究所/崖州灣國家實驗室李家洋院士對本研究進行了重要指導。中國科學院遺傳與發育生物學研究所傅向東研究員、汪迎春研究員、黃夏禾博士，植物激素平臺褚金芳、辛培勇和閆吉軍博士，中國科學院遺傳與發育生物學研究所/山東農業大學王永紅教授，崖州灣國家實驗室青年科學家桑大軍等參與了本研究。本研究得到了國家重點研發計劃專案、國家自然科學基金委、中國科學院基礎研究青年科學家專案以及中國科學院青促會的資助。
圖：水稻獨腳金內酯訊號感受及其在低氮中的作用模型
（A）D14作為獨腳金內酯受體發揮作用，並與D3形成複合物，D3透過改變其CTH基序顯示出兩種拓撲構象。D14和Engaged CTH構象D3之間的相互作用觸發D53的泛素化和降解，以啟動SL訊號轉導並抑制分櫱。具有dislodged CTH構象D3可能會使D14處於“遲鈍”狀態，以減弱SL感知並抑制D53降解。D53降解後，D14被SCFD3複合物進一步泛素化，並以NTD依賴的方式降解，導致獨腳金內酯訊號感受的終止。D14磷酸化主要發生NTD結構域，以抑制其自身的泛素化和降解。（B）低氮增強D14磷酸化以穩定D14，導致獨腳金內酯訊號感受延遲終止。低氮也會提高獨腳金內酯生物合成以增強訊號感受。這些機制協同確保了強烈的獨腳金內酯訊號轉導並抑制分櫱發育，從而調節了低氮的發育可塑性。
來源：中科院遺傳發育所
