独脚金内酯是近年来发现的一种重要植物激素，在调控植物分枝（即分蘖）数目这种生长发育关键性状中发挥关键作用。中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队在该领域研究占据国际领先地位，相关成果入选2014年度中国科学十大进展。
近日，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋团队青年研究员王冰等人发现了植物激素独脚金内酯信号感知机制及其在氮素响应中的关键作用，阐明了植物如何通过调控独脚金内酯信号感受途径中的“油门”和“刹车”，“聪明灵活”地调控不同环境中独脚金内酯信号感受的持续时间和信号强度，进而改变植物株型。
2024年11月4日，该研究成果在《细胞》（Cell）杂志在线发表。终于给这项“长跑”了7年的研究画上一个完整的句号。
论文发表背后的故事
其实，在2021年，研究进行到第4年，胡庆亮和王冰终于完成了论文。然而，次年他们准备投稿的时候，一个意外却让他们的论文搁浅了。彼时，美国一个团队在《Nature Plants》发表了一篇论文，其中独脚金内酯信号启动机制的模型与王冰和胡庆亮的模型是矛盾的。
究竟哪个模型是正确的？已经完成的研究会“白做”吗？
问题当前，王冰没有气馁，她和胡庆亮决定背水一战，将生物化学、结构学和遗传学等各种研究方法相结合对模型进行检验。
为了得出系统、准确的结论，他们对生化实验中二十幅蛋白图都做了三次重复性验证并开展量化和统计分析；在标准试验田里种了近百种遗传材料，严格控制条件进行表型观察。
检验结果表明，他们最初的模型是站得住脚的。
三位审稿人对此项研究均给予了高度评价，指出“该研究采用大量生化和遗传数据系统解析了独脚金内酯信号感受的机制，揭示了信号感知机制的新特征”，认为“该研究揭示了令人兴奋的新发现，比如发现了D14的翻译后修饰（磷酸化）及其在低氮适应中的作用”，“该研究中D3能够时序性地降解D53和D14进而协同植物中独脚金内酯信号的激活和终止过程是一个重要发现，该研究数据扎实、实验设计精妙，解决了独脚金内酯信号感受中不同模型之间的争议点，为独脚金内酯信号感受的调控机制提供了新的视角”。
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。植物细胞如何感受独脚金内酯一直是该研究领域的前沿和难点，科学家对信号感知机制存在争议。
为了解析独脚金内酯信号感受的关键机制，王冰等人系统分析了在D14与D3、D53蛋白相互作用中发挥重要功能的氨基酸位点，进而基于生化和遗传数据，揭示了独脚金内酯信号感受模型，即D3具有两种拓扑构象。其中，Engaged CTH构象的D3与D14相互作用诱导抑制蛋白D53发生泛素化和降解，以启动独脚金内酯信号转导，而Dislodged CTH构象的D3可能会促进D14进入“迟钝”状态或者干扰信号感知复合物的形成，以减弱独脚金内酯信号感受（图1）。
在解析独脚金内酯信号启动机制的基础上，研究人员进一步分析了独脚金内酯信号感受的终止机制。前期研究发现独脚金内酯促进拟南芥和水稻中D14蛋白发生泛素化修饰和降解，但是D14降解的机制和功能尚不清楚。通过巧妙的实验设计，王冰等人发现D14的泛素化和蛋白降解依赖于D14与D3的直接相互作用，并且需要D14蛋白通过N端的无序结构域（N-terminal disordered domain, NTD）与26S蛋白酶体直接相互作用。这是一种在高等植物中尚未报道的新机制。
D3作为E3连接酶中识别底物的亚基，首先促使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受。这就构成了植物细胞中信号转导的一对“油门”和“刹车”，能够精确地调控独脚金内酯信号感受的持续时间和信号强度。
更为有趣的是，D14的NTD结构域可以被磷酸化修饰，抑制D14的泛素化修饰和蛋白降解，进而调控水稻的分蘖发育。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。遗传分析进一步证明了D14在N端的磷酸化是低氮信号调控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”。
结合已有研究结果，王冰等人提出低氮环境一方面通过诱导独脚金内酯合成增强信号感知，另一方面通过促进D14的磷酸化抑制蛋白降解，进而降低独脚金内酯信号感受的终止（图1）。两种机制协同增强了独脚金内酯途径的功能，实现对分蘖数目的抑制。
图1 水稻独脚金内酯信号感受及其在低氮中的作用模型——
（A）D14作为独脚金内酯受体发挥作用，并与D3形成复合物，D3通过改变其CTH基序显示出两种拓扑构象。D14和Engaged CTH构象D3之间的相互作用触发D53的泛素化和降解，以启动SL信号转导并抑制分蘖。具有dislodged CTH构象D3可能会使D14处于“迟钝”状态，以减弱SL感知并抑制D53降解。D53降解后，D14被SCFD3复合物进一步泛素化，并以NTD依赖的方式降解，导致独脚金内酯信号感受的终止。D14磷酸化主要发生NTD结构域，以抑制其自身的泛素化和降解。
（B）低氮增强D14磷酸化以稳定D14，导致独脚金内酯信号感受延迟终止。低氮也会提高独脚金内酯生物合成以增强信号感受。这些机制协同确保了强烈的独脚金内酯信号转导并抑制分蘖发育，从而调节了低氮的发育可塑性。
该研究成果阐明了水稻中由独脚金内酯受体D14介导的信号感知的激活、调控和终止机制，解决了独脚金内酯信号感知机制的争议问题，发现了在泛素化修饰和蛋白降解之间新的调控机制，揭示了D14通过磷酸化调控自身稳定性的新机制以及该机制在水稻分蘖响应低氮环境中的核心作用。通过改变D14的磷酸化状态能够实现降低氮肥投入而不减少分蘖，对作物株型的精准改良以及减肥增产水稻新品种的分子设计育种具有重要指导意义。
图2 王冰研究员在实验中
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。中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东研究员、汪迎春研究员、黄夏禾博士，植物激素平台褚金芳、辛培勇和闫吉军博士，中国科学院遗传与发育生物学研究所/山东农业大学王永红教授，崖州湾国家实验室青年科学家桑大军等参与了本研究。
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青年科学家项目以及中国科学院青促会的资助。
相关论文信息：
https://doi.org/10.1016/j.cell.2024.10.009
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