水稻中独角金内酯信号通路的分子机制研究与新事件鉴定

Strigolatones (SLs) is a newly identified phytohormone that regulates shoot branching, leaf morphology and enhances environmental adaptation to phosphorus, nitrogen and drought stress. Therefore, elucidating the molecular mechanism of SL signaling in rice is important for improving photosynthesis efficiency and crop yield. D53 gene encodes a transcriptional inhibitory protein, SLs and its analog rac-GR24 induces ubiquitination and degradation of D53 depending on D14 and D3. Degradation of D53 leads to de-repression and activation of downstream gene expression, which can accurately regulate lateral bud elongation. However, controversies and gaps exist in downstream events after perception of SLs by receptor D14. The molecular mechanism of the whole SL signaling pathway needs to be clarified urgently. We aim to determine the full-functional complex structure of GR24-D14-D3-D53 to reveal the details of the related proteins interactions and identify the potential new components.

独脚金内酯作为新的植物激素，可调控分枝数目和叶片形态，同时增强植物对缺磷、氮、干旱胁迫的环境适应，因此研究水稻中独脚金内酯信号通路的分子机制将为提高光能利用率和作物产量提供重要理论基础。D53编码一个转录抑制蛋白，独脚金内酯或其人工合成类似物 rac-GR24可诱导D53泛素化降解，该过程依赖受体D14和泛素连接酶D3。D53的降解导致去抑制化，启动下游靶基因表达从而激活独角金内酯信号通路，精确地调控侧芽伸长。但是在独脚金内酯信号转导途径中，受体D14识别激素分子后传递信号的分子机制及通路中相关蛋白是如何协调互作发挥功能等问题仍存在很大的争议和空白，具体而准确的分子机制亟需阐明。本研究从结构生物学入手，拟解析GR24-D14-D3-D53信号全功能复合体结构，从而揭示独脚金内酯信号通路中精细调节的分子机制和信号转导过程中可能的新事件鉴定。

水稻作为超过半数世界人口的主粮，对于保障粮食安全具有重要意义。水稻株型包括株高、分蘖、穗型等特征，是决定产量的核心要素。独脚金内酯通过抑制侧芽伸长调控分蘖发育，是控制水稻分蘖数目的关键植物激素。DWARF53 (D53)是独脚金内酯信号途径中的关键负调控因子，编码一个转录抑制蛋白，独脚金内酯受体DWARF14 (D14)和F-box蛋白DWARF3 (D3)在结合独脚金内酯分子后可介导D53蛋白发生泛素化进而降解，启动下游靶基因表达从而激活信号转导，精确地调控侧芽伸长。但是在独脚金内酯信号转导途径中，受体D14识别激素分子后发生构象变化进而传递信号的分子机制仍存在争议，信号功能复合体SKP1−D3−D14−D53的结构及复合体形成的分子机制亟需阐明。.本研究聚焦独脚金内酯信号通路的核心调控元件D53蛋白，对其理化性质进行了深入分析，从结构生物学着手，在体外表达纯化并重组了信号功能复合体SKP1−D3−D14−D53和SKP1−D3−D14−D53D2。通过氢氘交换质谱分析(HDX-MS)鉴定到D14、D3及D53中潜在的复合体结合基序。通过冷冻电镜方法解析了D53结合状态下复合物SKP1−D3−D14的电镜结构，与晶体学结构ASK1−D3−AtD14相比D14分子可能发生了近9 Å的位移。基于以上结果，提出了独脚金内酯信号功能复合体SKP1−D3−D14−D53的结构生物学模型，为解析独脚金内酯信号转导的精确分子机制奠定了结构生物学基础。