姚瑞枫教授、谢道昕院士评述 | 水稻独脚金内酯信号感知的激活和终止

   在水稻(Oryza sativa)和小麦(Triticum aestivum)等主要禾本科作物中, 分枝通常被称为分蘖, 是决定产量的重要性状之一。分蘖的生长发育受到遗传因素和环境条件的严格调控, 植物激素在分蘖芽的起始与伸长过程中发挥重要调控作用(Wang et al., 2018)。独脚金内酯(strigolactone, SL)是近年来发现的一种重要植物激素, 在抑制分蘖芽伸长中发挥关键作用(Gomez-Roldan et al., 2008; Umehara et al., 2008; Jiang et al., 2013; Zhou et al., 2013)。独脚金内酯在调控株高、叶片发育、花青素积累、根系形态和抗旱性中也发挥重要作用(Wang et al., 2020a; Yuan et al., 2023)。在水稻“绿色革命”及现代高产品种选育中, 独脚金内酯合成基因(HTD1/D17)的优异等位基因通过增加水稻分蘖实现生物量和产量提升(Wang et al., 2020b)。

   在独脚金内酯信号转导领域, 过去十多年的研究表明, α/β水解酶D14 (DWARF14)及其同源蛋白是独脚金内酯的受体, 在结合独脚金内酯后与F-box蛋白D3/MAX2和转录抑制子D53/SMXL6,7,8形成复合体, 促使D53/SMXL6,7,8发生泛素化修饰和蛋白质降解, 从而触发下游信号转导。植物细胞如何感知独脚金内酯一直是该研究领域的前沿和难点。Yao等(2016)解析了AtD14、D3和ASK1三个完整蛋白在SL分子GR­24诱导下所形成的复合体结构, 发现受体AtD14在结合独脚金内酯后发生口袋从“开放”到“闭合”的构象变化(图1), 进而启动信号转导。Shabek等(2018)解析了D3的C端单个螺旋(CTH)融合D14的嵌合蛋白(D3-CTH-D14)与GR24共结晶的结构, 发现该嵌合蛋白中D14的激素结合口袋处于开放状态, 推测D14结合CTH处于脱离状态(dislodged state)的D3蛋白并启动了信号转导。上述研究基于不同的受体复合体结构, 提出了不同的独脚金内酯信号感知机制, 后续多项化学生物学或计算生物学方面的研究均支持Yao等(2016)的感知模型(de Saint Germain et al., 2016; Yao et al., 2016; Uraguchi et al., 2018; Wang et al., 2022; Chen and Shukla, 2023)。进一步从遗传和生化上厘清植物如何感知独脚金内酯并精确调控其受体蛋白的动态变化, 以适应不同的生长环境, 具有重要意义。

   最近, Hu等(2024)揭示了独脚金内酯信号感知的激活、终止和调控机制, 及其在控制水稻分蘖对缺氮响应中的核心作用(图1), 为理解植物如何调节生长发育以适应营养匮乏等外界环境变化提供了新的重要见解。为了鉴定在独脚金内酯信号感知过程中发挥关键作用的D14氨基酸位点, Hu等(2024)首先利用酵母双杂交体系分析了D14蛋白中165个保守氨基酸位点在D14与D3和D53互作中的功能, 鉴定了特异性影响D14-D3互作及D14-D53互作或者对两种互作均有影响的位点。他们进一步分析了D14氨基酸位点在AtD14-D3-ASK1或D3-CTH-D14结构中的位置, 并通过遗传学和生化手段探究了关键氨基酸位点在水稻独脚金内酯信号感知以及水稻分蘖中的作用, 发现Yao等(2016)所揭示的AtD14-D3-ASK1复合物互作界面上的D14和D3关键氨基酸位点, 对于D14-D3相互作用、D53的泛素化修饰、D53蛋白质降解以及水稻分蘖抑制均是必需的(图1), 从而验证了Yao等(2016)提出的独脚金内酯感知模型。Hu等(2024)还发现, Shabek等(2018)所揭示的D3-CTH-D14复合物界面上关键位点(D14的S274残基)不是独脚金内酯感知所必需, 其功能丧失形式反而增强独脚金内酯的信号感知。另外, Hu等(2024)发现D3-CTH片段的过表达可导致独脚金内酯信号转导受到抑制, 分蘖数适度增加。基于上述生化和遗传数据及以往的报道, Hu等(2024)提出D3具有engaged CTH和dislodged CTH两种拓扑构象, 分别增强和抑制独脚金内酯信号转导: 与Yao等(2016)的结论类似, Hu等(2024)提出, D14感知独脚金内酯信号、与D3 (engaged CTH构象状态)及D53形成复合体, 诱导D53的泛素化降解, 从而触发独脚金内酯信号转导; Hu等(2024)进一步推测, dislodged CTH构象的D3可能结合D14并导致其进入“迟钝”状态, 干扰D14-D3-D53复合物形成, 减弱D14对独脚金内酯信号的感知, 影响D53的泛素化降解, 从而抑制独脚金内酯信号转导。

水稻在氮素缺乏时诱导独脚金内酯(SL)的生物合成, SL结合并诱导受体D14发生口袋从“开放”到“闭合”的构象变化, 与F-box蛋白D3及转录抑制子D53形成复合体, 促进D53的泛素化降解, 从而激活SL信号转导; 同时, 低氮信号还诱导D14的N端无序区(NTD)发生磷酸化, 减弱受体D14的泛素化降解, 进一步增强SL信号感知。低氮信号通过这两种机制的协同作用, 确保SL信号转导激活, 抑制水稻分蘖。SL触发的D14-D3相互作用也促进了D14的泛素化降解, 从而介导SL信号转导终止。

Under nitrogen deficiency, rice induces the biosynthesis of strigolactone (SL), which binds to and induces a conformational change in the receptor D14 from an "open" to a "closed" pocket. This forms a complex with the F-box protein D3 and the transcriptional repressor D53, promoting the ubiquitination and degradation of D53, thereby activating SL signal transduction. Concurrently, nitrogen limitation induces phosphorylation of the N-terminal disordered region (NTD) of D14, reducing its ubiquitination and degradation, and further enhancing SL perception. Through these two synergistic mechanisms, low nitrogen signaling ensures the activation of SL signal transduction, inhibiting rice tillering. The SL-triggered D14-D3 interaction also promotes the ubiquitination and degradation of D14, thus mediating the termination of SL signal transduction.

   前期研究发现, 独脚金内酯促进拟南芥(Arabi­dopsis thaliana)和水稻中D14蛋白发生泛素化修饰和降解(Chevalier et al., 2014; Hu et al., 2017), 但是D14降解的分子机制和生物学功能尚不清楚。Hu等(2024)进一步分析了独脚金内酯信号的终止机制。他们发现D14的泛素化降解依赖于D14与D3的直接相互作用(图1)。同样重要的是, 独脚金内酯诱导的D14降解依赖其N端无序区(N-terminal disordered region, NTD), 而NTD为单子叶植物D14同源蛋白所特有(Yao et al., 2018), 其介导D14与26S蛋白酶体OsRPN9b亚基的直接相互作用, 是一种在植物中尚未报道的新机制(Yu and Matouschek, 2017)。上述研究发现, D3作为E3泛素连接酶中识别底物的亚基, 首先通过促使D53泛素化和降解来启动信号转导, 随后促使D14发生泛素化和降解来终止信号感知, 这种时序性调节作为一种“油门”和“刹车”机制来调控植物中独脚金内酯信号感知的持续时间和信号强度(图1)。

      Hu等(2024)还发现D14的NTD存在磷酸化修饰(图1), 并成功鉴定到4个丝氨酸磷酸化位点(Ser10/ 11/13/15), 组成型磷酸化和非磷酸化突变分别抑制和促进独脚金内酯诱导的D14泛素化修饰和降解, 进而调控水稻的分蘖。进一步研究发现低氮信号增强了D14 NTD的磷酸化, 进而提高了D14蛋白的稳定性, 从而延缓独脚金内酯信号感知的终止过程。遗传分析表明, d14突变体的多分蘖表型在不同氮素环境中保持稳定, D14 NTD的磷酸化调控机制在低氮信号抑制水稻分蘖中发挥重要作用。结合已报道的研究结果, Hu等(2024)提出, 低氮环境一方面通过诱导独脚金内酯的生物合成, 增强独脚金内酯信号感知, 另一方面则通过促进D14磷酸化抑制D14蛋白降解, 延缓独脚金内酯信号感知的终止, 最终协同增强了独脚金内酯途径的功能, 以实现对分蘖数目的有效抑制(图1)。Hu等(2024)发现的翻译后修饰调控机制对于植物适应低氮环境具有重要意义。

   综上所述, Hu等(2024)发现了水稻中独脚金内酯信号感知的激活、终止和调控机制, 阐明了受体蛋白 D14通过其N端无序结构域和磷酸化调控自身降解的多层次调控机制, 揭示了低氮信号通过翻译后修饰机制增强独脚金内酯信号感知能力进而抑制分蘖的新机理, 为独脚金内酯信号感知及其在植物发育可塑性中的关键作用提供了较为全面的见解; 此外, D14 NTD的等位变异能够使水稻在中等氮素条件下的分蘖数接近正常氮素条件, 这对作物株型的精准改良以及减肥增产水稻分子设计育种具有重要指导意义。同时, 这一重要研究成果启发我们提出一系列亟待解答的科学问题。首先, D14水解独脚金内酯过程中被水解中间体共价修饰对其受体功能至关重要, NTD的磷酸化修饰除增强D14蛋白的稳定性, 是否也影响其水解活性和催化中心的共价修饰? 除水稻D14外, 其它单子叶植物中D14的NTD是否也为独脚金内酯诱导D14泛素化降解所必需? 双子叶植物中的D14缺少NTD, 暗示其既不会与26S蛋白酶体RPN9b亚基相互作用, 也不存在类似水稻D14 NTD上的磷酸化修饰, 那么低氮如何调控双子叶植物D14的稳定性? D14 NTD结构域在单、双子叶植物中的分化是否具有其它生物学意义? 低氮是否调控D14其它位点的磷酸化? 低氮诱导水稻D14 NTD磷酸化的具体机制是什么, 哪个(些)激酶介导了这一磷酸化修饰过程? 尽管D14上影响D14-D3、D14-D53相互作用的关键氨基酸位点得到了系统的筛选鉴定, 但独脚金内酯诱导形成的D14-D3-D53复合体完整结构的解析将有助于全面理解独脚金内酯的信号转导机制。