植物生长如何调控“油门”和“刹车”？中国团队最新研究揭秘

植物如何调控生长发育、适应环境变化?因其被《科学》杂志列入125个人类未知的重大科学问题之中，而备受学界关注并持续开展研究。

中国科学院遗传与发育生物学研究所(遗传发育所)青年研究员王冰团队等通过合作研究，最新发现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。

这一植物遗传发育领域重要研究成果论文，北京时间11月5日凌晨在国际著名学术期刊《细胞》(Cell)上线发表。

为何研究独脚金内酯

论文通讯作者王冰研究员介绍说，植物经过长期的演化和适应得以在不同环境中生长发育和繁衍后代。独脚金内酯是近年来发现的一种重要植物激素，其在调控植物分枝(即分蘖)数目这种生长发育关键性状中发挥关键作用。

水稻独脚金内酯信号感受及其在低氮中的作用模型。中国科学院遗传发育所/供图

在独脚金内酯信号转导领域，过去15年的研究发现α/β水解酶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。

不过，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。

如何发现“油门”“刹车”

为解析独脚金内酯信号感受的关键机制，研究团队此次通过系统分析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，揭示出独脚金内酯信号感受模型。

在解析独脚金内酯信号启动机制(“油门”)的基础上，研究团队进一步分析独脚金内酯信号感受的终止机制(“刹车”)。他们通过巧妙的实验设计，发现一种在高等植物中出现的新机制——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(NTD)与26S蛋白酶体直接相互作用。

王冰指出，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传导的一对“油门”和“刹车”，能精确调控独脚金内酯信号感受的持续时间和信号强度。

本次研究还发现，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。研究团队结合已有研究结果提出，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的磷酸化增加蛋白稳定稳定性，进而降低独脚金内酯信号感受的终止。这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。

成果有什么现实意义

王冰表示，本项研究成果阐明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，发现在泛素化修饰和蛋白降解之间新的调控机制，并揭示了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。

她认为，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，这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。

对中国团队此项研究成果，《细胞》杂志的3位审稿人均给予了高度评价：“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”“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”。

后续研究有何规划

中国科学院遗传发育所称，王冰团队在植物激素独脚金内酯作用机理，以及作物株型和环境适应性调控领域已取得系列原创性成果，其系统性研究工作为作物产量提升和盐碱地综合利用等，提供了理论指导和基因资源。

王冰青年研究员在实验室开展相关研究工作。中国科学院遗传发育所/供图

王冰透露，研究团队未来将深入解析不同环境条件下独脚金内酯调控作物发育可塑性、耐逆抗病性的功能和机制，有望通过精准定向改良独脚金内酯的合成、转运及信号转导，协同提升作物的产量和环境适应性，培育高产、高效、稳产作物。