植物如何調(diào)控生長(zhǎng)發(fā)育、適應(yīng)環(huán)境變化？因其被《科學(xué)》雜志列入125個(gè)人類未知的重大科學(xué)問題之中，而備受學(xué)界關(guān)注并持續(xù)開展研究。

中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所(遺傳發(fā)育所)青年研究員王冰團(tuán)隊(duì)等通過合作研究，最新發(fā)現(xiàn)植物激素獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知機(jī)制及其在氮素響應(yīng)中的關(guān)鍵作用，闡明植物如何通過調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受途徑中的“油門”和“剎車”，“聰明靈活”地調(diào)控不同環(huán)境中獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的持續(xù)時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)而改變植物株型。

這一植物遺傳發(fā)育領(lǐng)域重要研究成果論文，北京時(shí)間11月5日凌晨在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《細(xì)胞》(Cell)上線發(fā)表。為何研究獨(dú)腳金內(nèi)酯

論文通訊作者王冰研究員介紹說，植物經(jīng)過長(zhǎng)期的演化和適應(yīng)得以在不同環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)育和繁衍后代。獨(dú)腳金內(nèi)酯是近年來發(fā)現(xiàn)的一種重要植物激素，其在調(diào)控植物分枝(即分蘗)數(shù)目這種生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)鍵性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

水稻獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受及其在低氮中的作用模型。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/供圖

在獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)領(lǐng)域，過去15年的研究發(fā)現(xiàn)α/β水解酶D14及其同源蛋白是獨(dú)腳金內(nèi)酯的受體，與D3、D53蛋白相互作用，從而觸發(fā)下游信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

不過，植物細(xì)胞如何感受獨(dú)腳金內(nèi)酯一直是該研究領(lǐng)域的前沿和難點(diǎn)，科學(xué)家對(duì)信號(hào)感知機(jī)制存在爭(zhēng)議。如何發(fā)現(xiàn)“油門”“剎車”

為解析獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的關(guān)鍵機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)此次通過系統(tǒng)分析D14與D3、D53蛋白相互作用中發(fā)揮重要功能的氨基酸位點(diǎn)，進(jìn)而基于生化和遺傳數(shù)據(jù)，揭示出獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受模型。

在解析獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)啟動(dòng)機(jī)制(“油門”)的基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步分析獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的終止機(jī)制(“剎車”)。他們通過巧妙的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)一種在高等植物中出現(xiàn)的新機(jī)制——D14的泛素化和蛋白降解依賴于D14與D3的直接相互作用，并且需要D14蛋白通過N端的無序結(jié)構(gòu)域(NTD)與26S蛋白酶體直接相互作用。

王冰指出，D3作為E3連接酶中識(shí)別底物的亞基，首先促使D53泛素化和降解來啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨后促使D14發(fā)生泛素化和降解來終止信號(hào)感受。這就構(gòu)成了植物細(xì)胞中信號(hào)傳導(dǎo)的一對(duì)“油門”和“剎車”，能精確調(diào)控獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的持續(xù)時(shí)間和信號(hào)強(qiáng)度。

本次研究還發(fā)現(xiàn)，D14的NTD結(jié)構(gòu)域可以被磷酸化修飾，抑制D14的泛素化修飾和蛋白降解，進(jìn)而調(diào)控水稻的分蘗發(fā)育。低氮環(huán)境增強(qiáng)了D14的磷酸化修飾進(jìn)而抑制蛋白降解，增強(qiáng)獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合已有研究結(jié)果提出，低氮環(huán)境一方面通過誘導(dǎo)獨(dú)腳金內(nèi)酯合成增強(qiáng)信號(hào)感知，另一方面通過促進(jìn)D14的磷酸化增加蛋白穩(wěn)定穩(wěn)定性，進(jìn)而降低獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的終止。這兩種機(jī)制協(xié)同增強(qiáng)了獨(dú)腳金內(nèi)酯途徑的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)分蘗數(shù)目的抑制。成果有什么現(xiàn)實(shí)意義

王冰表示，本項(xiàng)研究成果闡明水稻中由獨(dú)腳金內(nèi)酯受體D14介導(dǎo)的信號(hào)感知的激活、調(diào)控和終止機(jī)制，解決了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感知機(jī)制的爭(zhēng)議問題，發(fā)現(xiàn)在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調(diào)控機(jī)制，并揭示了D14通過磷酸化調(diào)控自身穩(wěn)定性的新機(jī)制，以及該機(jī)制在水稻分蘗響應(yīng)低氮環(huán)境中的核心作用。

她認(rèn)為，通過改變D14的磷酸化狀態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)降低氮肥投入而不減少分蘗，這對(duì)作物株型的精準(zhǔn)改良以及減肥增產(chǎn)水稻新品種的分子設(shè)計(jì)育種具有重要指導(dǎo)意義。

對(duì)中國(guó)團(tuán)隊(duì)此項(xiàng)研究成果，《細(xì)胞》雜志的3位審稿人均給予了高度評(píng)價(jià)：“該研究采用大量生化和遺傳數(shù)據(jù)系統(tǒng)解析了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的機(jī)制，揭示了信號(hào)感知機(jī)制的新特征”“該研究揭示了令人興奮的新發(fā)現(xiàn)，比如發(fā)現(xiàn)了D14的翻譯后修飾(磷酸化)及其在低氮適應(yīng)中的作用”“該研究數(shù)據(jù)扎實(shí)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精妙，解決了獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受中不同模型之間的爭(zhēng)議點(diǎn)，為獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)感受的調(diào)控機(jī)制提供了新的視角”。后續(xù)研究有何規(guī)劃

中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所稱，王冰團(tuán)隊(duì)在植物激素獨(dú)腳金內(nèi)酯作用機(jī)理，以及作物株型和環(huán)境適應(yīng)性調(diào)控領(lǐng)域已取得系列原創(chuàng)性成果，其系統(tǒng)性研究工作為作物產(chǎn)量提升和鹽堿地綜合利用等，提供了理論指導(dǎo)和基因資源。

王冰青年研究員在實(shí)驗(yàn)室開展相關(guān)研究工作。中國(guó)科學(xué)院遺傳發(fā)育所/供圖

王冰透露，研究團(tuán)隊(duì)未來將深入解析不同環(huán)境條件下獨(dú)腳金內(nèi)酯調(diào)控作物發(fā)育可塑性、耐逆抗病性的功能和機(jī)制，有望通過精準(zhǔn)定向改良獨(dú)腳金內(nèi)酯的合成、轉(zhuǎn)運(yùn)及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，協(xié)同提升作物的產(chǎn)量和環(huán)境適應(yīng)性，培育高產(chǎn)、高效、穩(wěn)產(chǎn)作物。(完)