植物在漫长的演化过程中发展出了适应各种环境的能力，这使得它们能够在不同的条件下生长、发育并繁衍后代。《科学》杂志曾列出125个未知的重大科学问题，其中就包括了植物如何调控其生长发育以及应对环境变化的机制。
近年来，科学家们发现了一种名为独脚金内酯（Strigolactone）的重要植物激素，它在控制植物分枝（即分蘖）数量这一关键生长特性中扮演着重要角色。中国科学院遗传与发育生物学研究所的李家洋团队在这个研究领域处于国际领先水平，他们的研究成果曾在2014年被评为中国十大科学进展之一。近日，该团队的青年研究员王冰等人揭示了独脚金内酯信号感知的机制及其在氮素响应中的重要作用，解释了植物如何通过调整独脚金内酯信号感受途径中的“油门”和“刹车”来灵活地改变自身形态以适应不同环境。这项研究于2024年11月在国际顶级学术期刊Cell上在线发表，题为Regulatory mechanisms of strigolactone perception in rice的研究论文。
三位审稿人对这项研究给予了高度评价，称赞其为独脚金内酯信号感知机制提供了新的视角，并解决了该领域内关于信号感受的不同模型之间的争议。研究中特别发现了D14蛋白的翻译后修饰（如磷酸化）及其在低氮环境下发挥的作用，还有D3蛋白能够按时间顺序降解D53和D14，从而协同激活和终止独脚金内酯信号的过程。
过去十五年的研究表明，DWARF14 (D14) 及其同源蛋白作为独脚金内酯的受体，与D3、D53等蛋白相互作用来触发下游信号传导。为了深入理解独脚金内酯信号的感受机制，王冰等人进行了详细的生化和遗传分析，提出了D3存在两种拓扑构象的概念：一种是与D14结合并启动信号转导的“Engaged CTH”，另一种是可能使D14进入“迟钝”状态或干扰信号复合物形成的“Dislodged CTH”。
此外，研究人员还解析了独脚金内酯信号终止的机制，发现D14的泛素化和降解依赖于D14与D3的直接相互作用，以及D14 N端无序结构域（NTD）与26S蛋白酶体的直接互动。这种新机制允许D3作为E3连接酶的一部分，先促使D53泛素化和降解来启动信号，随后促使D14泛素化和降解来结束信号，以此精确调节独脚金内酯信号的持续时间和强度。
更进一步的研究表明，D14的NTD可以被磷酸化，这种修饰抑制了D14的泛素化和降解，从而影响水稻的分蘖发育。在低氮环境中，D14的磷酸化增强，减少了其降解，加强了独脚金内酯信号的接收。遗传学分析证实了D14的N端磷酸化在低氮条件下调控水稻分蘖的关键作用。通过改良D14的磷酸化位点，可以在减少氮肥使用的同时保持甚至增加分蘖数，这对于作物株型优化和培育高效利用氮肥的新品种具有重要意义。
综上所述，这项研究不仅阐明了独脚金内酯信号感受的激活、调控和终止机制，而且发现了新的调控机制，揭示了D14通过磷酸化控制自身稳定性的机制，以及该机制在低氮环境下水稻分蘖响应的核心作用。这些发现对于指导作物株型精准改良和分子设计育种具有重要的应用前景。
