2024年11月4日，李家洋院士团队王冰研究员等人在Cell Press细胞出版社旗下的顶级学术期刊Cell上发表了题为 “Regulatory Mechanisms of Strigolactone Perception in Rice” 的研究论文，揭示了植物激素独脚金内酯信号感知过程的启动、终止和调控机制，发现低氮通过调控独脚金内酯信号感知抑制水稻分蘖发育，为深入理解植物生长发育的可塑性提供了全新的视角，为实现作物的减肥增产提供了理论依据。该成果是研究团队继2020年在Nature发表独脚金内酯早期响应基因及其信号转导机制后的又一重大突破。
中国科学院遗传与发育生物学研究所博士后胡庆亮为该论文的第一作者，王冰研究员为该论文通讯作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所/崖州湾国家实验室李家洋院士对本研究进行了重要指导。本研究得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委、中国科学院基础研究领域青年团队计划以及中国科学院青促会的资助。
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独脚金内酯是近年来发现的一类重要植物激素，不仅对植物分枝（分蘖）数目具有重要的调控作用，而且在植物适应低磷、低氮等复杂环境条件方面也发挥着不可或缺的作用。在独脚金内酯信号转导领域，过去十五年的研究发现α/β水解酶DWARF14 (D14)及其同源蛋白是独脚金内酯的受体，与D3、D53蛋白相互作用，从而触发下游信号转导。此前，其信号感知机制存在诸多争议，信号感知过程中的精细调控及其背后所蕴含的生物学意义也一直模糊不清。
研究团队通过系统的生化和遗传实验，对受体蛋白D14的关键氨基酸位点进行了深入分析，全面解析了独脚金内酯信号启动的机制，解决了不同独脚金内酯信号感受模型之间的争议。该团队进一步聚焦独脚金内酯信号感受的终止机制，发现独脚金内酯诱导D14发生泛素化和降解，该过程依赖于D14与D3的直接相互作用，以及N端无序结构域（N-terminal disordered domain, NTD）（图1）。
图1 水稻独脚金内酯信号感受及其在低氮中的作用模型
更重要的是该研究发现D14的NTD结构域存在磷酸化修饰，在水稻分蘖发育调控中发挥关键作用。土壤中的低氮环境增强了D14的磷酸化修饰进而抑制蛋白降解，增强独脚金内酯信号感受。遗传分析证明D14在N端的磷酸化是低氮信号抑制水稻分蘖的重要机制。对D14的磷酸化位点进行精准改良，能够显著降低水稻分蘖对氮肥的依赖性，实现“减氮肥少减分蘖”甚至“减氮肥不减分蘖”（图2）。
图2 D14磷酸化位点突变提高水稻在低氮环境中的分蘖数
作者专访
Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者王冰研究员进行了专访，请她为大家做进一步的深入解读。
作者介绍
王冰
研究员
王冰，国家自然科学基金委“优秀青年基金”获得者，中国科学院青年创新促进会优秀会员，在植物激素独脚金内酯作用机理以及作物株型和环境适应性调控领域取得系列原创性成果，如阐明了独脚金内酯信号感知的新机制，揭示了独脚金内酯在水稻低氮和低磷响应中的核心功能和作用机理，提高了水稻在低氮、低磷环境中的分蘖数目和产量；突破独脚金内酯信号途径研究瓶颈，系统鉴定了独脚金内酯早期响应基因，发现了新型双功能抑制蛋白；揭示了独脚金内酯与其他信号分子协同调控植物的株型、耐盐碱及抗病性的分子机理。其系统性研究工作为作物产量提升和盐碱地综合利用提供了理论指导和基因资源。以第一或通讯作者在Cell、Nature、Mol Plant、Plant Cell、Annu Rev Plant Biol、PNAS等国际期刊发表论文20余篇。获全国创新争先奖奖牌、第二届优秀女青年奖，担任The Innovation 青年编委、The Innovation Life编委以及National Science Review学科编辑组优秀成员。
相关论文信息
论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell ，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Regulatory mechanisms of strigolactone perception in rice
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0092867424011577
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.009
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