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中国学者连发两篇《自然》论文 解析调控水稻分枝蛋白

中国学者连发两篇《自然》论文

日前,《自然》(Nature)杂志刊登在了两篇来自中国科学家的最新研究成果。两个独立小组的相关研究获得类似结果。

来自中科院遗传与发育研究所、上海药物研究所等机构的研究人员发表了题为“DWARF 53 acts as a repressor of strigolactone signalling in rice”的文章。他们利用发现的水稻矮化多分蘖突变体e9,指出D53蛋白能作为一种抑制因素,在水稻的独脚金内酯信号途径发挥作用。这篇文章的通讯作者为中科院遗传所李家洋院士,王永红博士,以及上海药物研究所的徐华强研究员。姜亮(博士研究生)、刘学(博士研究生)、熊国胜博士和刘会会(博士研究生)为共同第一作者。

来自南京农业大学、中国农业科学院作物科学研究所等机构的研究人员发表了“D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signaling”的文章。他们在控制分蘖的新激素信号转导研究中取得突破性进展,该研究结果首次在遗传和生化层面上证实了D53蛋白作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控植物分枝(蘖)的生长发育。该论文以南京农业大学为第一署名单位,南京农业大学农学院2008级博士研究生周峰为论文第一作者,万建民教授为通讯作者。

在第一项研究中,李家洋课题组道了一种称为D53的蛋白在水稻分蘖过程中的关键作用。其中涉及一种关键的信号途径:独角金内酯(strigolactones)信号途径,这是近年来发现的一种植物激素或其前体,能够抑制植物的分枝和侧芽的生长,并与生长素和细胞分裂素一起调控植物的分枝(蘖)数量。研究表明,D53能编码SCFD3泛素复合物中的一种底物,作为独角金内酯信号途径的因子因素行使功能。研究人员指出如果用独角金内酯类似物GR24对水稻进行处理,那么D53就会以D53-D14-SCFD3蛋白复合体泛素连接酶的方式被蛋白酶降解,而且这种蛋白也能与称为TOPLESS-RELATED PROTEINS的转录共抑制因子相互作用。

在第二项研究中,万建民课题组利用一个部分显性水稻矮化多分蘖突变体(该突变体由日本九州大学惠赠),命名为dwarf 53 (d53),进行外源激素处理和内源激素测定表明,d53是一个独脚金内酯不敏感突变体。通过精细定位和图位克隆,他们获得了位于水稻第11号染色体短臂末端的D53基因,该基因编码一个新的在结构上与I类Clp ATPase类似的核蛋白。后续的功能分析发现,在独脚金内酯存在的条件下D53蛋白可与两个已知的独脚金内酯信号分子D14、D3互作,形成D53–D14–SCFD3蛋白复合体,D53蛋白被泛素化,进而特异地被蛋白酶体系统降解,从而诱导下游目标基因的表达以及独脚金内酯信号的响应。

这些研究结果揭示出了一种独角金内酯信号通路新作用机制,其中D53能作为抑制因子调控这一途径,影响水稻分蘖。业内专家认为,该研究不仅为植物,特别是农作物的株型改良提供了重要的理论基础,同时也为水稻籼粳交杂种优势利用提供了有价值的基因和育种材料,并为籼粳交杂种优势在生产上的有效利用提供了应用前景。

来自 中科院遗传与发育研究所 的官方新闻稿:

李家洋课题组在独角金内酯信号转导分子机制研究中取得重大突破性进展

分枝是决定植物株型发育的主要决定因素。在水稻、小麦等主要禾本科作物中,分枝通常被称为分蘖,是决定产量的重要农艺性状之一。分蘖的生长发育受到遗传因素的严格调控,其主要调控机制是通过植物激素信号通路协调分蘖芽的起始与伸长。长期的研究表明生长素和细胞分裂素是调控株型建成的主要激素。最近数年通过对拟南芥和水稻等模式系统的研究,鉴定了一个新的激素独角金内酯,并发现该激素通过抑制侧芽的生长在株型建成中发挥关键调控作用。

植物基因组学国家重点实验室李家洋院士及其合作者近年来对独角金内酯调控水稻分蘖分子机制的研究取得了重大突破性进展。通过对水稻矮化丛生系列突变体(dwarf突变体或简称为d突变体)的系统研究,李家洋院士等发现D27 基因在独角金内酯生物合成途径中的关键作用(Lin et al., Plant Cell, 2009, 21: 1512)。最近,李家洋课题组与中科院上海药物所徐华强课题组、中国水稻所钱前课题组合作,在解析独角金内酯信号转导分子机理研究中取得了奠基性的突破。他们发现D53基因编码一个double Clp-N motif-containing P-loop nucleoside triphosphate hydrolase, 负调控独角金内酯信号转导。分子遗传学和生化研究表明D53可能与转录抑制因子TPR形成复合物,协同抑制独角金内酯信号通路下游靶基因的表达,从而抑制该信号通路。独角金内酯诱导D53泛素化并通过蛋白酶体途径降解,且这一过程依赖于独角金内酯受体D14和泛素连接酶D3。D53蛋白的降解导致去抑制化,从而激活独角金内酯信号转导,精确地调控侧芽的伸长。在d53突变体中,D53基因的显性突变(dominant mutation)使其突变蛋白不能被降解,组成型抑制独角金内酯信号通路,从而导致d53矮化丛生的表型。值得指出的是,李家洋等人发现的独角金内酯信号转导的“去抑制化激活”机制与生长素、赤霉素、茉莉酸等重要激素的信号转导激活机制类似,表明这是植物在进化过程中选择的一种主要调控模式。

上述研究是解析独角金内酯信号转导分子机制的奠基性发现,相关结果以研究论文(Research Article)形式于2013年12月11日在线发表于国际权威学术刊物Nature (doi:10.1038/nature12870)。李家洋课题组姜亮(博士研究生)、刘学(博士研究生)、熊国胜博士和刘会会(博士研究生)为共同第一作者,李家洋、王永红和徐华强为共同通讯作者。Nature同时在NEWS & VIEWS专栏配发题为“Witchcraft and destruction”的专文评述,高度评价该项工作的理论意义和潜在应用价值。中国农科院作物科学研究所万建民研究组的相关研究获得类似结果,相关论文同时在线发表(doi:10.1038/nature12878)。

李家洋院士及其合作者十余年来对水稻分蘖的调控机制进行了系统深入研究,通过对水稻分蘖主控基因MOC1 基因(Li et al., Nature, 422: 618, 2003)以及调控MOC1蛋白稳定性的关键因子TAD1 基因(Xu et al., Nat Commun, 3: 750, 2012)、调控分蘖角度的LAZY1 基因(Li et al., Cell Research, 17: 402, 2007)、理想株型基因IPA(Jiao et al., Nature Genet, 42: 541, 2010)以及D27、D53等关键因子的系统深入功能解析,取得了一系列开创性的成果,为解析株型建成的分子机理做出了具有国际影响的重要贡献。

来自 南京农业大学 的官方新闻稿

万建民课题组在控制水稻分蘖的新激素信号转导研究中取得突破性进

我校(南京农业大学)万建民教授课题组科研人员在控制分蘖的新激素信号转导研究中取得突破性进展,12月11日在线出版的国际顶级杂志《Nature》以Article Research形式刊登了题为“D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signaling” (doi:10.1038/nature12878) 的相关研究成果。该研究结果首次在遗传和生化层面上证实了D53蛋白作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控植物分枝(蘖)的生长发育,是我校在Nature上发表的第一篇研究文章(Article Research),也是迄今中国植物学领域中少有的几篇Nature Article Research文章。该论文以南京农业大学为第一署名单位,农学院2008级博士研究生周峰为论文第一作者,万建民教授为通讯作者。

杂交稻的推广应用被誉为第二次绿色革命,但研究表明普通籼型杂交稻单产潜力的进一步提高难度较大。籼粳亚种间强大杂种优势的有效利用,可实现水稻单产的再次飞跃。但是,籼粳交杂种普遍存在株高超亲等问题,使得籼粳亚种间杂种优势的利用受到了极大的限制。利用部分显性矮杆基因可有效解决籼粳杂种的株高偏高问题。另外,水稻分蘖(枝)和株高被认为是水稻株型的重要组成部分,同时也是杂种产量形成的决定因素,为此该课题组从水稻分蘖、部分显性矮杆、理想株型等角度开展了探索性研究。

前人研究表明,内源激素对植物分枝(蘖)的生长发育起着至关重要的调控作用。2008年,两个小组的科研人员同时发现了调控植物分枝的第三种激素——独脚金内酯(Strigolactone),突破了植物茎分枝由生长素和细胞分裂素这两种激素调控的传统观念。大量研究表明独脚金内酯的合成很可能源于类胡萝卜素途径,但对其信号途径的研究知之甚少。

万建民课题组利用一个部分显性水稻矮化多分蘖突变体(该突变体由日本九州大学惠赠),命名为dwarf 53 (d53),进行外源激素处理和内源激素测定表明,d53是一个独脚金内酯不敏感突变体。通过精细定位和图位克隆,他们获得了位于水稻第11号染色体短臂末端的D53基因,该基因编码一个新的在结构上与I类Clp ATPase类似的核蛋白。后续的功能分析发现,在独脚金内酯存在的条件下D53蛋白可与两个已知的独脚金内酯信号分子D14、D3互作,形成D53–D14–SCFD3蛋白复合体,D53蛋白被泛素化,进而特异地被蛋白酶体系统降解,从而诱导下游目标基因的表达以及独脚金内酯信号的响应。

中国学者连发两篇《自然》论文 解析调控水稻分枝蛋白

该研究结果是万建民教授课题组继2012年在《Nature Communications》上报道TE蛋白调控水稻分蘖形成机理后,在阐述植物分枝(蘖)形成机制领域的又一重大进展,不仅为水稻株型改良提供了重要的理论基础,而且为水稻籼粳交杂种优势利用提供了有用的基因和材料。

该项研究是与中国农业科学院作物科学研究所全面合作完成,后期工作还与美国华盛顿大学、北京国家植物基因研究中心、日本东京大学等单位合作完成,得到国家转基因重大专项、国家“863”计划、国家自然科学基金以及江苏省“333”人才项目等项目的资助。

原文检索:

Liang Jiang, Xue Liu, Guosheng Xiong, Huihui Liu, Fulu Chen, Lei Wang, Xiangbing Meng, Guifu Liu, Hong Yu, Yundong Yuan, Wei Yi, Lihua Zhao, Honglei Ma, Yuanzheng He, Zhongshan Wu, Karsten Melcher, Qian Qian, H. Eric Xu, Yonghong Wang & Jiayang Li. DWARF 53 acts as a repressor of strigolactone signalling in rice. Nature, 11 December 2013; doi:10.1038/nature12870

Feng Zhou, Qibing Lin, Lihong Zhu, Yulong Ren, Kunneng Zhou, Nitzan Shabek, Fuqing Wu, Haibin Mao, Wei Dong, Lu Gan, Weiwei Ma, He Gao, Jun Chen, Chao Yang, Dan Wang, Junjie Tan, Xin Zhang, Xiuping Guo, Jiulin Wang, Ling Jiang, Xi Liu, Weiqi Chen, Jinfang Chu, Cunyu Yan, Kotomi Ueno, Shinsaku Ito, Tadao Asami, Zhijun Cheng, Jie Wang, Cailin Lei, Huqu Zhai, Chuanyin Wu, Haiyang Wang, Ning Zheng & Jianmin Wan. D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signalling. Nature, 11 December 2013; doi:10.1038/nature12878

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