2024年11月2日，由中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队的青年研究员王冰等人在Cell上发表了题为"Regulatory mechanisms of strigolactone perception in rice"的研究论文。本文基于大量的生化和遗传研究数据，提出了一个新的SL感知和信号传导模型。
独脚金内酯(Strigolactones, SLs)是一类萜类衍生的植物激素，对茎枝分枝、茎伸长、次生生长、根系发育以及适应低磷、低氮等多种生物学过程至关重要。SLs的生物合成和信号转导受到多种反馈机制的严格控制。α/β水解酶DWARF14 （D14）及其同源物是SL受体，以SL依赖的方式与F-box蛋白D3和转录抑制因子D53相互作用，从而触发D53的泛素化和降解以及下游转录事件。氮肥的施用能显著促进作物分蘖数，但氮信号是否以及如何直接调节D14功能仍然是一个谜。
1. AtD14 - D3 - ASK1 复合物界面残基对 SL 信号和分蘖的重要性
作者通过酵母筛选系统，对 D14的165个保守氨基酸进行突变分析，确定了影响D14-D3 和D14-D53相互作用的残基。这些残基映射到D14的三维结构中，发现部分位于AtD14- D3 - ASK1复合物界面。在水稻中，位于该复合物界面的D14残基（如 P211、E224、R227 等）突变后，D14 - D3 相互作用、D53 泛素化降解及分蘖抑制能力受损。例如，D14³M 突变体完全阻断了相关相互作用，导致 D53 积累和分蘖数变化。同时，D3 在对应界面残基（如 T599、D606 等）突变也影响了复合物形成和 SL 感知相关过程。
Figure 1. Interfaces of the AtD14-D3-ASK1 complex are essential for SL signaling and tillering in rice
2. D3 - CTH 在 SL 感知中的调控作用
D3-CTH-D14-GR24复合物界面D14残基（如 S274）突变对D14-D3相互作用影响小，但 D14S274E 突变体增强了与D3相互作用，促进D53泛素化降解，抑制分蘖，在不同水稻突变体和拟南芥中均得到了验证。此外，D3 在该界面的关键残基（如E700、L707）突变影响复合物形成和SL感知。例如E700A突变减弱相关相互作用，过表达D3E700A 部分挽救 d3 突变体表型；过表达D3-CTH-GFP 促进分蘖和D53 积累，减弱SL诱导的D53 降解，d3ΔCTH 突变体则表现出相反表型。
Figure 2. Regulation of D3-CTH in SL perception
3. SL 诱导的 D14 降解依赖于 D3
在野生型背景下过表达 D14 和 D14³M（与 D3 相互作用缺陷），发现 D14³M 与 D3 几乎无相互作用，但与 D53 有 SL 诱导的相互作用，且对 D53 降解影响小。而对于D14 的单突变和双突变体在 rac - GR24 处理下降解受损，D14³M 降解和泛素化显著减弱，则表明 D14 降解依赖于与 D3 的相互作用。
Figure 3. D3 is directly involved in the ubiquitination and degradation of D14
4. 磷酸化抑制 D14 泛素化和降解及调控水稻分蘖发育
作者通过免疫沉淀 - 质谱（IP - MS）分析技术，对 D14 - GFP 蛋白进行富集，然后用胰蛋白酶消化并进行液相色谱 - 串联质谱（LC - MS/MS）分析，以鉴定 D14 的磷酸化位点。在 D14 的 N 端区域鉴定出了多个磷酸化位点，包括 S10、S11、S13 和 S15 等。这些磷酸化位点的鉴定为后续研究磷酸化对 D14 功能的影响提供了基础。此外，通过Phos-tag实验进一步验证了D14-GFP的磷酸化，该磷酸化被λ蛋白磷酸酶（lPP）处理或S10、S11、S13和S15（简称D144 SA）的Ser-to-Ala四重突变所消除。
D14⁴SA 突变体增强泛素化和降解，D14⁴SD 突变体减弱，表明磷酸化抑制 D14 降解。在分蘖发育方面，过表达 D14⁴SA - GFP 部分挽救 d14 突变体的高分蘖表型，过表达 D14⁴SD - GFP 导致更少分蘖，同时影响相关基因表达。
Figure 4. Ubiquitination and degradation of D14 are repressed by phosphorylation
5. N 端区域对 D14 降解和分蘖的重要性
研究结果表明，缺失 NTD 完全抑制 SL 诱导的 D14 降解，与 D14⁴SA - GFP 降解情况相反，拟南芥中缺乏 NTD 的 AtD14 降解速度慢于水稻 D14。亚细胞定位、pull-down实验等数据表明，D14ΔN 虽然泛素化增强但降解受抑制，存在一种潜在机制使 D14 的泛素化与降解解偶联，可能与 NTD 区域缺失有关。
Figure 5. The N terminus is essential for D14 degradation and association with the 26S proteasome
6. 低氮对 D14 磷酸化、蛋白水平及分蘖的影响
在这部分中，作者通过phos-tag、IP-MS（免疫沉淀-质谱技术）发现了低氮条件增强了 D14 磷酸化，主要在NTD 域的S11位点，依赖于NTD区域。低氮提高野生型D14-GFP 相对蛋白丰度，但对D14AN-GFP、D14⁴SA-GFP和D14⁴SD-GFP影响较小。
此外，在d14中，分蘖对氮的响应比例几乎消失，而在过表达 D14⁴SA - GFP、D14⁴SD - GFP 及 D14ΔN - GFP 的植株对氮素的分蘖响应比率显著降低，进一步证明了 D14 的磷酸化和稳定性在水稻对 LN 的分蘖响应中的重要性。
Figure 6. The N-terminal domain and phosphorylation of D14 regulate tillering responses to low nitrogen
基于本文的研究结果，作者提出了一个新的SL感知和信号传导模型：
D14作为SL受体与D3形成复合物，D3通过改变其CTH基序表现出两种拓扑构象。D14和D3与参与CTH构象的相互作用触发D53的泛素化和降解，从而启动SL信号并抑制分蘖。CTH移位的D3可能使D14处于钝化状态，以减弱SL感知并抑制D53的降解。D53降解后，D14进一步被SCFD3复合物泛素化，并以NTD依赖的方式降解，导致SL感知终止。D14主要在NTD区域发生磷酸化，以抑制其自身的泛素化和降解。（图A）
图B给我们展示了另一种情况：低氮环境能够增强D14磷酸化以稳定D14，导致SL感知延迟终止。SL生物合成也被提高以增强SL感知。这些机制协调保证了强SL信号和抑制分蘖发育，从而介导了对低氮的发育可塑性。
Figure 7. A proposed model of SL perception and its response to low nitrogen
评论：唐金煜
编辑：黄文尉
校对：付小康
林木科学评论
Xu/Luo Lab
