独脚金内酯的信号传导机制研究

植物激素是植物细胞内的主要信号通路传导者，在植物生长、发育、及适应外界环境变化起到极其重要作用。其中，独脚金内酯（Strigolactone或SL）是具有诱导寄生植物种子自杀性萌发、调控植物的分枝分蘖、影响农作物产量，促进植物与根固氮菌丝共生等生理功能的一种关键植物激素。研究独脚金内酯信号通路与食品、能源及环境等影响人类健康的关键问题紧密相关。目前，全球人口50%的疾病是由于仅食品不足而导致营养不良的后果。每年，非洲，亚洲和澳大利亚就有数万英亩的种植作物因为寄生植物独脚金杂草而荒废。植物科学研究，特别是独脚金内酯生物学的研究，可以帮助解决部分如上问题，其机理研究已成植物科学的一大研究热点。本课题将致力于独脚金内酯信号通路的结构生物学，着眼于解释独脚金内酯信号通路的关键蛋白复合体的晶体结构，并基于结构设计新型的独脚金内酯类似物与研发其在农业上的应用。

独角金内酯既是内源性的植物激素，同时也作为外源性的信号分子在植物对矿物质营养元素缺乏的环境做出响应的过程中发挥着重要的作用。已有的研究发现，水稻中参与介导独角金内酯信号通路的蛋白质包括α/β水解酶DWARF14（D14）、泛素连接酶SCFD3的F-box蛋白组分DWARF3（D3），独角金内酯信号通路的下游还涉及核定位蛋白MOC1以及被推测为转录调节因子的D53、BES1、SLR1。但是，这些发现并没有解答谁是独角金内酯受体的关键科学问题，而且独角金内酯信号感知和信号转导的分子机制尚未得到阐明。解决这两个关键问题，将进一步完善我们对独角金内酯信号通路的认识，为其在农业生产中中应用于除草、生物固氮等领域提供理论基础。蛋白质结晶的不确定性，大分子量的蛋白质D3、MOC1等的异源重组表达以及植物激素独角金内酯本身及其类似物的高度不稳定性不利于复合物的结晶是本研究的难点所在。.成功解析了植物激素独脚金内酯受体DWARF14的晶体结构以及其同源蛋白AtD14和 KAI2的三维结构，更重要是解析了独脚金内酯代谢物与DWARF14活性中心共价螯合结构，奠定了独脚金内酯信号通路中受体与共受体发现的可能，为阐明独脚金内酯信号转导机制提供有力的结构基础，提出了独脚金内酯化合物GR24的不稳定性，并证实了DWARF14也是催化独脚金内酯GR24的水解酶(Cell Research. 2013, 23, 436)，得到了国内外同行的一致认可。.独脚金内酯的信号通路主要由其受体DWARF14与其共受体MAX2介导，但其详细机制未清楚。申请人与中科院遗传所李家洋实验室紧密合作，创新地发现了水稻矮化多分蘖突变体D53，首次提出了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，相关工作刊登在著名杂志《自然》上(Nature 2013, 504, 401)，文章引用次数将近80次。找到了独脚金内酯信号途径中的重要蛋白因子，阐明独脚金内酯调控水稻分蘖和株型的信号途径，该项工作荣获“2014年中国科学十大进展”。.该课题还解析了独脚金内酯激素GR24水解产物与其受体DWARF14的复合物晶体结构，并发现了DWARF14以及同源蛋白DAD2在激素存在的情况下的不稳定性，D14依赖于D3的这种不稳定性，是一种新的信号识别机制。这些发现为我们后期改造激素类似化合物，提供了重要新的思路。