Nature：我国科学家揭示水稻分蘖机理

北京时间今天凌晨2时，国际顶级学术期刊《自然》以研究论文形式，在线发表了我国科学家一项有关水稻分枝（蘖）形成机制研究的突破性进展——中国农科院作科所万建民课题组与南京农大作物遗传和种质创新国家重点实验室合作，首次在遗传和生化层面上证实了一种被称为“D53”的蛋白参与调控水稻分蘖的机理，为水稻亚种间杂交优势利用提供了有用材料。

水稻包括籼、粳两个亚种。此前的杂交稻由于均属亚种内杂交（即籼籼杂交、粳粳杂交），单产提高已逼近极限；更大的增产空间，公认需由亚种间杂交（即籼粳杂交）获得。但籼粳杂交种普遍植株偏高、易倒伏，育性差、结实率低，培育分蘖少、茎秆粗壮、穗大的理想株型难（其中分蘖是产量形成的基础）。为此，该课题组从水稻分蘖、部分显性矮秆、理想株型等角度开展了探索性研究。

研究人员利用一个部分显性水稻矮化多分蘖突变体（dwarf 53，即d53，由日本九州大学惠赠）进行测定，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，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。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，诱导下游目标基因的表达以及独脚金内酯信号的响应。它揭示的水稻分蘖机理，为实现水稻理想株型奠定了基础；它寻找发掘显性矮秆基因的努力，使水稻亚种间杂交优势利用成为可能。

中科院遗传所李家洋院士课题组，利用其发现的水稻矮化多分蘖突变体e9也独立完成相关实验并得到了与本研究相似的结论。相关论文发表在同期《自然》上。


来自南京农业大学，中国农业科学院，华盛顿大学等处的研究人员发表了题为“D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signalling”的文章，以一种水稻矮化多分蘖突变体为研究对象，证实了D53蛋白能作为独脚金内酯信号途径的抑制子参与调控植物分蘖的生长发育。

这一研究成果公布在12月11日Nature杂志在线版上，文章的通讯作者为南京农业大学万建民教授，华盛顿大学郑宁教授以及中国农业科学院王海洋研究员。文章以南京农业大学为第一署名单位，第一作者是南京农业大学农学院2008级博士研究生周峰。

植物激素在植物生长发育过程中起着重要的调控作用，一种激素往往调控多个生理过程，而植物的某一生理过程则受制于多种激素的协同作用。独角金内酯(strigolactones)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。

之前的研究表明，独脚金内酯是调控植物分枝的第三种激素，这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。

在这篇文章中，据报道研究人员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。

研究人员通过精细定位和图位克隆，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。

这项研究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，是南京农业大学在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。

万建民教授课题组此前曾在Nature Communications上报道了TE蛋白调控水稻分蘖形成机理，另外一位通讯作者，华盛顿大学郑宁博士则主要从事泛素化机理及其关键蛋白质结构研究。他们合作取得了这一植物分枝（蘖）形成机制领域的重大进展，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。（生物通：万纹）


    中国农业科学院作物科学研究所万建民教授课题组科研人员在控制植物分枝（蘖）的新激素信号转导研究中取得了开创性进展。12月11日在线出版的国际顶级杂志——《Nature》以“Article”形式刊登了题为“D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signalling” (doi:10.1038/nature12878)的相关研究成果。万建民教授指导的博士研究生周峰为该论文第一作者，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，但是研究表明普通籼型杂交稻单产潜力的提高已十分有限。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。此外，水稻的分蘖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、部分显性矮杆以及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，法国和日本的两个研究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。大量研究结果表明独脚金内酯的合成很可能源于类胡萝卜素途径，但对其信号传导途径的机理还知之甚少。

    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DWARF 53 (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，进而使得泛素化的D53蛋白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。

    该研究结果首次在遗传和生化层面证实了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，具有重要的科学意义。这不仅为植物，特别是农作物的株型改良提供重要的理论基础，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，并进一步为籼粳交杂种优势在生产上的有效利用提供更广泛的应用前景。

    这也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。该项研究成果是我院在科学研究上的重大突破，同时也是迄今为止我国在植物学领域中少有的几篇“Nature Article”文章。该项研究是与南京农业大学作物遗传与种质改良国家重点实验室全面合作完成，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，该研究得到国家转基因重大专项、国家“863”计划以及江苏省“333”人才项目等项目的资助。     在本课题组独立开展D53基因研究的同时，中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士课题组相关科研人员利用他们自己发现的水稻矮化多分蘖突变体e9也独立完成相关实验并得到了与本研究相似的结论。相关论文以“Article”的形式发表在同一期的《Nature》杂志上。