依赖于D14-SCFD3的D53降解作用对独脚金内酯的信号传导起调节作用

2024年4月3日发(作者：翟海)

依赖于D14-SCF

的D53降解作用对独脚金内酯的信号传导起调节作用

摘要：

独角金内酯(SLs)是一类最近发现的类胡萝卜素衍生型植物激素,这类激素对于修整植物结构及植物与

寄生性野草和共生性丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi)之间相互作用相关的发育进程是必需的。

虽然在SL的生物合成途径的诠释方面很快取得了进展,但有关SL的植物感知以及信号传导的机制仍处于未

知。在此我们展示DWARF53(D53)以一种SL信号传导作用抑制剂的方式起作用,而SLs则会诱导这一蛋白

的降解。我们发现水稻d53突变株的表型是由于一种获得性突变造成的,而且这种株系对于外源性SL的处

理表现不敏感,与野生型相比,d53突变株通常产生大量的分蘖。D53基因产物与I类Clp ATP酶蛋白具有共

同的预测过的特征,D53蛋白可以与α/β 水解酶蛋白DWARF14(D14)还有F-box蛋白DWARF3(D3)一起形

成复合物,D14和D3是两种以前确认出来的可能对于植物感知SL起作用的信号传导组分。我们证实SLs

以一种依赖于D14和D3的方式通过蛋白酶体诱导D53蛋白的降解并通过这种方式终止D53促进侧芽生长

的活性。我们这些结合了遗传学和生物化学方面的数据揭示出D53在SL信号传导途径中以抑制剂的方式

起作用，而D53的这种由激素诱导的降解作用则代表了在SL的植物感知与回应之间的关键性分子联系。

出芽分枝（农作物中称为分蘖）是植物结构以及农作物产量的一个主要决定因素，而这一作用则是由

激素、发育和环境因素共同控制的。虽然早在70年前就已经假设植物根部存在可传输抑制分枝作用的信号，

但一直到现在也没有确认出这种信号。最近在几种不同种属的分枝植物中进行的研究证实了SLs，一类特

异性的萜类内酯，是一直寻找的抑制分枝作用的激素，它的功能在单子叶植物和双子叶植物中呈现保守性。

除了抑制出芽分枝作用之外，SLs还在调节植物的根部生长、叶子的老化以及花朵形成方面起作用。另外

SLs还在促进陆生植物与丛枝菌根真菌之间的共生过程中充当外源性信号，还可以刺激寄生性野草巫婆草

（Striga）和列当草（Orobanche）的种子萌发，这两种野草在世界上许多地区对农业造成严重的危害。

以前的研究结果显示水稻中的DWARF3(D3)、D10、D14(亦称为HIGH-TILLERING DWARF2、HTD2

和D88)、D17(亦称为HTD1)和D27;拟南芥中的MORE AXILLARY GROWTH 1(MAX1)、MAX2、MAX3

和MAX4；豌豆中的RAMOSUS1(RMS1)、RMS4和RMS5；还有矮牵牛中的DECREASED APICAL

DOMINANCE 1(DAD1)、DAD2和DAD3都参与了SLs的生物合成或信号传导作用。在这些基因中，

MAX3/RMS5/D17/DAD3、MAX4/RMS1/D10/DAD1、拟南芥中的MAX1和水稻中的D27分别编码切割类

胡萝卜素的双加氧酶7(CCD7)、CCD8、CYP711A1(细胞色素P450)以及一种新型β-胡萝卜素异构酶，并

参与后续对β-胡萝卜素的切割以及SLs的合成。相反，MAX2/RMS4/D3和D14/DAD2则分别编码一种F-box

蛋白和一种α/β水解酶超家族成员的蛋白，这两种蛋白可能在SL信号传导中起作用。MAX2/RMS4/D3蛋

白与植物激素受体TRANSPORTINHIBITOR RESPONSE 1 (TIR1)以及茉莉酸受体

CORONATINEINSENSITIVE 1 (COI1)之间，还有D14/DAD2蛋白与赤霉素受体GIBBERELLIN

INSENSITIVE DWARF1(GID1)之间存在的结构相似性所引发的推测是MAX2/RMS4/D3和D14/DAD2都可

能成为SL的受体，而通过D14/DAD2对SLs的结合和水解可能是激发由含有Skp1-Cullin-F-box(SCF)

MAX2

复合物对某种未知抑制因子实施以蛋白酶体为中介的降解作用所必需的。然而对于这种未知抑制因子的确

认以及它在SL信号传导中的调节机制还都处于未知的状态。

在我们的这项研究中，我们确认出了一种功能获得性突变，d53突变，这种突变显示出对SL作用的不

敏感性以及分蘖数量增加的表型。基于图谱的克隆发现D53基因编码一种与I类Clp ATP酶具有相同预测

特征的蛋白，这种蛋白可以与α/β水解酶蛋白D14和F-box蛋白D3形成复合物。我们还展示SLs通过蛋

白酶体-泛素途径以一种依赖于D14和D3的方式诱导D53的降解作用。我们的研究结果确立了D53在SL

信号传导途径中作为一种抑制剂的作用，而这种由激素诱导的蛋白降解作用是SL信号传导所必需的。

d53

是一种对

不敏感的水稻突变株

之前的研究确认出几种在SL生物合成或信号传导中缺失的水稻突变株系。由于这些株系的高度分枝以

及矮秆的表型，它们被称为“d 突变株”,如d3、d10、d14、d17和d27。水稻d53突变株也显示出高度降低

和分蘖增加的表型，与野生型相比还有茎部较薄以及跟冠较短的表型(图1a,b,扩展数据图1a,b)。动力学分

析结果显示在水稻的出穗期,d53突变株的总分蘖数大约为野生型的三倍,导致同时形成高次分蘖和高位分蘖

(图1c,扩展数据图1c,d)。组织学分析结果显示野生型和d53突变株的节间的维管束和薄壁细胞

(parenchymacell)大致相当，说明d53突变株茎部较薄较短主要是由于细胞数量减少形成的(扩展数据图

1e-h)。杂合性F1植物的表型处于纯合性亲本的中间(扩展数据图2a-g)。对d53突变株与野生型亲本(Norin

8)杂交衍生的F2群体进行遗传学分析的结果表明正常、中间和矮秆植物的比例为1:2:1(33:58:28,χ

0.09,P > 0.05)，说明d53突变行为是一种半显性方式(扩展数据图2h)。d53突变株与之前报道过的水稻d

突变株表型的相似性启发我们对d53突变是否在SL介导的对于侧芽生长抑制作用中处于缺失状态进行检

测。结合反转录的定量PCR分析结果显示在d53突变株中基因D10(编码CCD8)的表达由于在SL途径中

的反馈调节作用而与在其他d突变株中同样被上调了(图1d)。此外，一种侧芽生长抑制剂FINE CULM1(FC1)

的表达在d53、d14和d27突变株中都发生了下调(图1d),这一基因是玉米种TEOSINTE BRANCHED1(TB1)

和拟南芥中BRANCHED 1 (BRC1)的直系同源物，因此说明D53基因可能涉及到SL的生物合成或信号传

导。还有,外源性使用SL类似物GR24会有效地抑制d27突变株的侧芽生长，但对d14或d53突变株则没

有这种效应(图1e,扩展数据图3a-c)。还有,在植物根部渗出物中队SLs的测定显示d53突变株要比野生型

水稻Norin 8品系积累了高得多的2'-表-5-脱氧独角金醇(epi-5DS),这是一种在水稻中天然的SL类化合物(图

1f)。这些结果说明d53突变株是一种对SL不敏感的突变株。

图

1 d53

突变株的表型

a,b,4

周大小的野生型

(WT)

和

d53

突变幼苗期

(a)

或

出穗期

(b)

的表型。白色箭头表示在

d53

突变株中的

首次分蘖，这在野生型中是不存在的，红色箭头显

示第二次分蘖。

对于不同发育阶段分蘖动力学的比较。

在

突变株中通过

qRT-PCR

显示

D10

表达情况。

对于

GR24

处理后水稻幼苗的回应。红色和白色

箭头分别表示第一和第二次分蘖。

根部渗出物中通过液相色谱与质谱串联对

epi-5DS

水平的测量。

gfw,

每克湿重；

ND,

没有检测

到。比例尺为

a-5cm

；

b-30cm

；

e-2cm

。数值表示

均值

±s.d.(c

组图

n=30

株植物；

和

组图

为三

次重复

)

。

Student t-

检验表示存在显著性差异

(

与野

生型相比

,*P<0.05,**P<0.01)

。

D53

作为

信号传导作用的一种抑制剂行使其功能

D53基因之前被制谱于11号染色体短臂的末端区域中。为了说明在d53突变株中的分子缺失情况，我

们通过基于图谱的克隆技术将D53基因分离出来。通过使用KetanNangka品系与突变株的杂交所产生的约