中新網北京11月5日電 (記者 孫自法)植物如何調控生長發育、適應環境變化？因其被《科學》雜志列入125個人類未知的重大科學問題之中，而備受學界關注并持續開展研究。
中國科學院遺傳與發育生物學研究所(遺傳發育所)青年研究員王冰團隊等通過合作研究，最新發現植物激素獨腳金內酯信號感知機制及其在氮素響應中的關鍵作用，闡明植物如何通過調控獨腳金內酯信號感受途徑中的“油門”和“剎車”，“聰明靈活”地調控不同環境中獨腳金內酯信號感受的持續時間和信號強度，進而改變植物株型。
這一植物遺傳發育領域重要研究成果論文，北京時間11月5日凌晨在國際著名學術期刊《細胞》(Cell)上線發表。
為何研究獨腳金內酯
論文通訊作者王冰研究員介紹說，植物經過長期的演化和適應得以在不同環境中生長發育和繁衍后代。獨腳金內酯是近年來發現的一種重要植物激素，其在調控植物分枝(即分蘗)數目這種生長發育關鍵性狀中發揮關鍵作用。
水稻獨腳金內酯信號感受及其在低氮中的作用模型。中國科學院遺傳發育所/供圖在獨腳金內酯信號轉導領域，過去15年的研究發現α/β水解酶D14及其同源蛋白是獨腳金內酯的受體，與D3、D53蛋白相互作用，從而觸發下游信號轉導。
不過，植物細胞如何感受獨腳金內酯一直是該研究領域的前沿和難點，科學家對信號感知機制存在爭議。
如何發現“油門”“剎車”
為解析獨腳金內酯信號感受的關鍵機制，研究團隊此次通過系統分析D14與D3、D53蛋白相互作用中發揮重要功能的氨基酸位點，進而基于生化和遺傳數據，揭示出獨腳金內酯信號感受模型。
在解析獨腳金內酯信號啟動機制(“油門”)的基礎上，研究團隊進一步分析獨腳金內酯信號感受的終止機制(“剎車”)。他們通過巧妙的實驗設計，發現一種在高等植物中出現的新機制——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端的無序結構域(NTD)與26S蛋白酶體直接相互作用。
王冰指出，D3作為E3連接酶中識別底物的亞基，首先促使D53泛素化和降解來啟動信號轉導，隨后促使D14發生泛素化和降解來終止信號感受。這就構成了植物細胞中信號傳導的一對“油門”和“剎車”，能精確調控獨腳金內酯信號感受的持續時間和信號強度。
本次研究還發現，D14的NTD結構域可以被磷酸化修飾，抑制D14的泛素化修飾和蛋白降解，進而調控水稻的分蘗發育。低氮環境增強了D14的磷酸化修飾進而抑制蛋白降解，增強獨腳金內酯信號感受。研究團隊結合已有研究結果提出，低氮環境一方面通過誘導獨腳金內酯合成增強信號感知，另一方面通過促進D14的磷酸化增加蛋白穩定穩定性，進而降低獨腳金內酯信號感受的終止。這兩種機制協同增強了獨腳金內酯途徑的功能，實現對分蘗數目的抑制。
成果有什么現實意義
王冰表示，本項研究成果闡明水稻中由獨腳金內酯受體D14介導的信號感知的激活、調控和終止機制，解決了獨腳金內酯信號感知機制的爭議問題，發現在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調控機制，并揭示了D14通過磷酸化調控自身穩定性的新機制，以及該機制在水稻分蘗響應低氮環境中的核心作用。
她認為，通過改變D14的磷酸化狀態能夠實現降低氮肥投入而不減少分蘗，這對作物株型的精準改良以及減肥增產水稻新品種的分子設計育種具有重要指導意義。
對中國團隊此項研究成果，《細胞》雜志的3位審稿人均給予了高度評價：“該研究采用大量生化和遺傳數據系統解析了獨腳金內酯信號感受的機制，揭示了信號感知機制的新特征”“該研究揭示了令人興奮的新發現，比如發現了D14的翻譯后修飾(磷酸化)及其在低氮適應中的作用”“該研究數據扎實、實驗設計精妙，解決了獨腳金內酯信號感受中不同模型之間的爭議點，為獨腳金內酯信號感受的調控機制提供了新的視角”。
后續研究有何規劃
中國科學院遺傳發育所稱，王冰團隊在植物激素獨腳金內酯作用機理，以及作物株型和環境適應性調控領域已取得系列原創性成果，其系統性研究工作為作物產量提升和鹽堿地綜合利用等，提供了理論指導和基因資源。
王冰青年研究員在實驗室開展相關研究工作。中國科學院遺傳發育所/供圖王冰透露，研究團隊未來將深入解析不同環境條件下獨腳金內酯調控作物發育可塑性、耐逆抗病性的功能和機制，有望通過精準定向改良獨腳金內酯的合成、轉運及信號轉導，協同提升作物的產量和環境適應性，培育高產、高效、穩產作物。(完)