赤霉素（Gibberellin, GA）是植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的植物激素，調(diào)控多種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，包括種子萌發(fā)、光形態(tài)建成、葉片擴(kuò)展、開(kāi)花誘導(dǎo)、根發(fā)育及逆境響應(yīng)。種子萌發(fā)標(biāo)志著植物從休眠狀態(tài)向活躍生長(zhǎng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變，而暗形態(tài)建成的顯著特征是黑暗環(huán)境下胚軸的充分伸長(zhǎng)，這一過(guò)程能讓萌發(fā)后的幼苗快速出土以捕獲陽(yáng)光。因此，種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成是植物整個(gè)生命歷程中關(guān)鍵的早期發(fā)育過(guò)程。細(xì)胞自噬（Autophagy）是真核生物中保守的降解機(jī)制，對(duì)于維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。在植物中，細(xì)胞自噬通常由碳氮營(yíng)養(yǎng)缺乏激活，從而通過(guò)選擇性細(xì)胞自噬降解多種信號(hào)通路的關(guān)鍵因子調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育，幫助植物度過(guò)營(yíng)養(yǎng)缺乏的脅迫。已有研究明確，GA可促進(jìn) DELLA蛋白通過(guò) 26S 蛋白酶體途徑發(fā)生蛋白降解。GA是否可以促進(jìn)DELLA蛋白通過(guò)細(xì)胞自噬途徑發(fā)生蛋白降解，目前尚不清楚。

近日，生命科學(xué)學(xué)院楊洪全教授研究團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant在線(xiàn)發(fā)表題為“Gibberellin triggers ATG8-dependent autophagic degradation of DELLA proteins to promote seed germination and skotomorphogenesis under nutrient starvation in Arabidopsis”的研究論文，揭示了赤霉素誘導(dǎo)DELLA蛋白的自噬降解促進(jìn)植物種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成的分子機(jī)制。

楊洪全教授課題組在細(xì)胞自噬途徑參與植物藍(lán)光受體CRY1信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的功能及作用的分子機(jī)理研究中（Jiang et al., 2025, Plant Cell），發(fā)現(xiàn)在黑暗和碳（C）氮（N）營(yíng)養(yǎng)缺乏（?C?N）條件下，與營(yíng)養(yǎng)充足條件相比，野生型（WT）種子萌發(fā)速度顯著加快，而這種萌發(fā)速度的加快在細(xì)胞自噬突變體atg5 atg7和atg8n中明顯被減弱，暗示細(xì)胞自噬參與種子萌發(fā)的調(diào)控。進(jìn)一步在黑暗和?C?N條件下，該團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了WT與自噬突變體種子對(duì) GA 及其合成抑制劑多效唑（PAC）的敏感性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著 PAC 濃度升高，WT對(duì)PAC的敏感性顯著高于自噬突變體。為了排除內(nèi)源 GA 差異影響，在含10 μM PAC的?C?N固體培養(yǎng)基中添加不同濃度的GA。結(jié)果發(fā)現(xiàn)WT對(duì)GA的敏感性顯著高于自噬突變體。這表明 GA在?C?N條件下促進(jìn)的種子萌發(fā)依賴(lài)于A(yíng)TG5和 ATG7。RGL2 是 GA 信號(hào)通路中抑制種子萌發(fā)的關(guān)鍵 DELLA 蛋白，RGL2位于 ATG5和 ATG7的下游調(diào)控種子萌發(fā)。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)RGA在遺傳上位于A(yíng)TG5和 ATG7調(diào)控在黑暗和碳氮缺乏條件下GA誘導(dǎo)的下胚軸伸長(zhǎng)。因此，GA通過(guò)細(xì)胞自噬途徑誘導(dǎo)的種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成依賴(lài)于DELLA蛋白R(shí)GL2和RGA。

為了探明RGL2和RGA是否通過(guò)細(xì)胞自噬途徑降解，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)一系列的Western Blotting實(shí)驗(yàn)，在黑暗和碳氮饑餓條件下，證明了GA可通過(guò)GID1誘導(dǎo)RGL2和RGA蛋白的自噬降解，且該過(guò)程依賴(lài)于A(yíng)TG5和ATG7的作用。進(jìn)一步將瞬時(shí)表達(dá)了GFP-RGL2或GFP-RGA的野生型下胚軸原生質(zhì)體置于添加ConA的W5（-C-N）溶液中，分別在黑暗條件下用GA處理或不處理，并培養(yǎng)12或24小時(shí)。激光共聚焦顯微鏡觀(guān)察顯示，在黑暗和碳氮缺乏條件且經(jīng)GA處理后，部分GFP-RGL2/GFP-RGA轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，形成類(lèi)似自噬體的熒光斑點(diǎn)。為了驗(yàn)證該熒光斑點(diǎn)是否為自噬體，該研究團(tuán)隊(duì)檢測(cè)了atg5 atg7和ATG8a-i的九突變體atg8n下胚軸原生質(zhì)體中熒光斑點(diǎn)的積累情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些突變體中幾乎觀(guān)察不到WT中所觀(guān)察到的熒光斑點(diǎn)，表明在WT背景下觀(guān)察到的斑點(diǎn)即為自噬體。此外，在GA受體GID1突變體gid1ac下胚軸原生質(zhì)體中也幾乎檢測(cè)不到 GA 誘導(dǎo)產(chǎn)生的斑點(diǎn)，表明GA 可能以依賴(lài)于GID1的方式促進(jìn)RGL2 和RGA細(xì)胞核的輸出。進(jìn)一步在黑暗和碳氮缺乏并添加ConA的條件下，在WT下胚軸原生質(zhì)體中共同表達(dá)GFP-RGL2/GFP-RGA，以及自噬體標(biāo)記蛋白 mCherry-ATG8a/e，處理GA 或不處理GA。結(jié)果顯示：在黑暗和碳氮缺乏條件且經(jīng)GA處理后，GFP-RGL2/GFP-RGA轉(zhuǎn)運(yùn)至 mCherry-ATG8a/e 所在的自噬體并大量共定位。而gid1ac 突變體中，GA 誘導(dǎo)的 RGL2/RGA 出核及與 ATG8 共定位被顯著抑制。這些結(jié)果表明在碳氮缺乏條件下，GA促進(jìn) 的DELLA 蛋白與ATG8在自噬體中的共定位依賴(lài)于GID1。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)進(jìn)一步的生化分析，發(fā)現(xiàn)UDS-UIM位點(diǎn)介導(dǎo)了ATG8與DELLA蛋白的相互作用、GID1與ATG8可以發(fā)生依賴(lài)于GA的相互作用；GA通過(guò)促進(jìn)GID1與ATG8相互作用增強(qiáng)了ATG8與RGL2和RGA蛋白的互作，進(jìn)而促進(jìn)ATG8和DELLA蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核以及自噬體形成，最終導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)DELLA蛋白的自噬降解?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，該研究團(tuán)隊(duì)提出了在營(yíng)養(yǎng)缺乏條件下GA誘導(dǎo)DELLA蛋白的自噬降解促進(jìn)植物種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成的分子模型。在黑暗和碳氮缺乏且無(wú) GA 存在的條件下，GA 受體 GID1 處于非活性狀態(tài)，與 ATG8 的相互作用較弱，進(jìn)而導(dǎo)致 DELLA 蛋白與 ATG8 的互作也較弱。此時(shí)，ATG8 與 DELLA 蛋白多數(shù)定位于細(xì)胞核，僅少量 DELLA 能轉(zhuǎn)運(yùn)至自噬體并在液泡中降解，且自噬體形成受抑。最終細(xì)胞核內(nèi) DELLA 蛋白大量積累，抑制種子萌發(fā)和下胚軸伸長(zhǎng)相關(guān)基因的表達(dá)，從而導(dǎo)致種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成受阻；在黑暗和碳氮缺乏且有 GA 存在的條件下，GA 與 GID1 結(jié)合后，誘導(dǎo) GID1 構(gòu)象變化，使其分別與 DELLA 蛋白、ATG8 形成強(qiáng)相互作用，進(jìn)而促進(jìn) DELLA 與 ATG8 的強(qiáng)互作。大量 ATG8 與 DELLA 蛋白隨之轉(zhuǎn)運(yùn)至自噬體并在液泡中降解，同時(shí)自噬體形成被促進(jìn)。最終細(xì)胞核內(nèi) DELLA 蛋白顯著減少，解除了對(duì)相關(guān)基因表達(dá)的抑制，從而促進(jìn)種子萌發(fā)與暗形態(tài)建成。該模型為植物激素赤霉素促進(jìn)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)缺乏環(huán)境的適應(yīng)性提供了分子水平上的認(rèn)識(shí)。

GA介導(dǎo) DELLA 蛋白選擇性細(xì)胞自噬降解調(diào)控植物種子萌發(fā)和暗形態(tài)建成的分子模式圖

上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士生張?jiān)婟?/span>和江露為該研究工作的共同第一作者，上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院楊洪全教授和王文秀副教授為該論文的共同通訊作者。已畢業(yè)的博士研究生陳慧茹，碩士研究生熊敏妤和在讀碩士研究生劉惠姍共同參與了這項(xiàng)工作。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金，以及上海市分子植物科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海市種植資源協(xié)調(diào)中心的資助。

（供稿、攝影：生命科學(xué)學(xué)院）