植物生長如何調(diào)控“油門”和“剎車”?中國團隊最新研究揭秘
中新網(wǎng)北京11月5日電 (記者 孫自法)植物如何調(diào)控生長發(fā)育、適應(yīng)環(huán)境變化?因其被《科學(xué)》雜志列入125個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)青年研究員王冰團隊等通過合作研究,最新發(fā)現(xiàn)植物激素獨腳金內(nèi)酯信號感知機制及其在氮素響應(yīng)中的關(guān)鍵作用,闡明植物如何通過調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號感受途徑中的“油門”和“剎車”,“聰明靈活”地調(diào)控不同環(huán)境中獨腳金內(nèi)酯信號感受的持續(xù)時間和信號強度,進而改變植物株型。
這一植物遺傳發(fā)育領(lǐng)域重要研究成果論文,北京時間11月5日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《細胞》(Cell)上線發(fā)表。
為何研究獨腳金內(nèi)酯
論文通訊作者王冰研究員介紹說,植物經(jīng)過長期的演化和適應(yīng)得以在不同環(huán)境中生長發(fā)育和繁衍后代。獨腳金內(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)目這種生長發(fā)育關(guān)鍵性狀中發(fā)揮關(guān)鍵作用。
在獨腳金內(nèi)酯信號轉(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)下游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。
不過,植物細胞如何感受獨腳金內(nèi)酯一直是該研究領(lǐng)域的前沿和難點,科學(xué)家對信號感知機制存在爭議。
如何發(fā)現(xiàn)“油門”“剎車”
為解析獨腳金內(nèi)酯信號感受的關(guān)鍵機制,研究團隊此次通過系統(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,進而基于生化和遺傳數(shù)據(jù),揭示出獨腳金內(nèi)酯信號感受模型。
在解析獨腳金內(nèi)酯信號啟動機制(“油門”)的基礎(chǔ)上,研究團隊進一步分析獨腳金內(nèi)酯信號感受的終止機制(“剎車”)。他們通過巧妙的實驗設(shè)計,發(fā)現(xiàn)一種在高等植物中出現(xiàn)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(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連接酶中識別底物的亞基,首先促使D53泛素化和降解來啟動信號轉(zhuǎn)導(dǎo),隨后促使D14發(fā)生泛素化和降解來終止信號感受。這就構(gòu)成了植物細胞中信號傳導(dǎo)的一對“油門”和“剎車”,能精確調(diào)控獨腳金內(nèi)酯信號感受的持續(xù)時間和信號強度。
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,進而調(diào)控水稻的分蘗發(fā)育。低氮環(huán)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(nèi)酯信號感受。研究團隊結(jié)合已有研究結(jié)果提出,低氮環(huán)境一方面通過誘導(dǎo)獨腳金內(nèi)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(wěn)定穩(wěn)定性,進而降低獨腳金內(nèi)酯信號感受的終止。這兩種機制協(xié)同增強了獨腳金內(nèi)酯途徑的功能,實現(xiàn)對分蘗數(shù)目的抑制。
成果有什么現(xiàn)實意義
王冰表示,本項研究成果闡明水稻中由獨腳金內(nèi)酯受體D14介導(dǎo)的信號感知的激活、調(diào)控和終止機制,解決了獨腳金內(nèi)酯信號感知機制的爭議問題,發(fā)現(xiàn)在泛素化修飾和蛋白降解之間新的調(diào)控機制,并揭示了D14通過磷酸化調(diào)控自身穩(wěn)定性的新機制,以及該機制在水稻分蘗響應(yīng)低氮環(huán)境中的核心作用。
她認為,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,這對作物株型的精準改良以及減肥增產(chǎn)水稻新品種的分子設(shè)計育種具有重要指導(dǎo)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(shù)據(jù)系統(tǒng)解析了獨腳金內(nèi)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(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、實驗設(shè)計精妙,解決了獨腳金內(nèi)酯信號感受中不同模型之間的爭議點,為獨腳金內(nèi)酯信號感受的調(diào)控機制提供了新的視角”。
后續(xù)研究有何規(guī)劃
中國科學(xué)院遺傳發(fā)育所稱,王冰團隊在植物激素獨腳金內(nèi)酯作用機理,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。
王冰透露,研究團隊未來將深入解析不同環(huán)境條件下獨腳金內(nèi)酯調(diào)控作物發(fā)育可塑性、耐逆抗病性的功能和機制,有望通過精準定向改良獨腳金內(nèi)酯的合成、轉(zhuǎn)運及信號轉(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)
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