Nature Commun | 华中农业大学徐曙彤团队联合中科院遗传发育研究所傅向东团队重编程DELLA蛋白降解,破解“高产与高氮”困局

二十世纪六十年代的绿色革命，通过半矮秆作物品种的推广，实现了全球谷物产量的大幅提升。然而，这一过程伴随高投入农业模式，大量氮肥施用带来日益严峻的环境压力。如何在维持高产的同时减少化肥依赖，成为农业可持续发展的核心挑战之一。

近日，华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授团队与中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士团队合作在国际学术期刊Nature Communications在线发表了题为Structure-guided reprogramming of DELLA turnover for a sustainable Green Revolution in rice的研究论文。该研究通过结构生物学与生化分析，系统揭示了赤霉素（GA）-受体GID1复合物诱导DELLA蛋白发生多层次构象变化、从而促进其降解的分子机制，并基于结构信息对水稻DELLA蛋白SLR1等进行理性设计，成功筛选获得两个兼具理想株高、高氮利用效率和高产潜力的显性矮秆等位基因，为打破“高产”与“高肥”之间的长期权衡提供了全新育种策略。

半矮秆绿色革命品种（GRVs）的核心特征在于DELLA蛋白的积累，其带来的株高矮化虽增强了抗倒伏能力，却也导致了植株的氮利用效率显著下降，同时限制了生物量和单株产量，且品种需在高密度种植和高氮肥投入下才能实现产量潜力。此前报道显示，GA-GID1主要通过DELLA蛋白的N端结构域介导相互作用，进而招募F-box蛋白GID2/SLY1，启动DELLA蛋白的泛素化降解。然而，GA-GID1诱导DELLA高效招募GID2/SLY1这一关键过程的分子机制尚不明确。

该合作团队利用冷冻电镜技术解析了GA-GID1-DELLA三元复合物及GA-GID1-DELLA-SLY1-ASK1五元复合物的高分辨率结构，利用X射线晶体学技术解析了DELLA蛋白GRAS结构域的晶体结构。结构分析表明，GA-GID1的结合驱动DELLA蛋白N端结构域与C端α12螺旋发生协同构象变化，共同塑造了一个高亲和力结合界面，确保GID2/SLY1被精准招募（图1）。若破坏该构象重排，即便DELLA与GID1的结合不受影响，下游F-box蛋白的招募效率也会显著下降，这揭示了DELLA蛋白的N端与C端结构域并非各自发挥功能，而是通过协同构象变化，共同创造高效招募SLY1界面的生物学意义。

图1. GA-GID1诱导DELLA构象重排促进SLY1招募

随后，该合作团队针对水稻中的GID1、SLR1、GID2开展了基于结构的理性设计，在高产粳稻品种“武运粳”中创制了系列SLR1、GID1和GID2突变材料，获得了株高连续分布的矮秆等位系列。其中，两个显性突变体slr1^Y94A和slr1^Y580A表现突出。田间试验表明，与传统携带sd1的绿色革命品种相比，这两个突变体在株高适度降低的同时，保持了较高的生物量和单株产量，且氮利用效率显著提升。此外，slr1突变体在茎粗、抗倒伏指数、每穗粒数和收获指数等多方面均表现优异，单株产量显著高于sd1对照，且实现了约12%–19%的增产效果（图2）。

图2. 半矮秆水稻植株的农艺性状

综上，该研究从分子层面系统解析了GA-GID1如何通过诱导DELLA构象重排促进其降解的机制，并基于结构信息成功设计出兼顾高产与高氮利用的显性矮秆等位基因，为新一代绿色革命品种的培育提供了理论基础和遗传资源。

华中农业大学生命科学技术学院徐曙彤教授和中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士为论文共同通讯作者。华中农业大学博士研究生薛重玉和万里豪、中国科学院遗传与发育生物学研究所博士研究生章双、南方科技大学张智慧博士为论文共同第一作者。南方科技大学杜嘉木教授对本研究中电镜数据的收集和分析提供指导，中国科学院遗传与发育生物学研究所高秀华副研究员、胡杰副研究员为本研究中水稻基因编辑材料的创建提供指导。华中农业大学已毕业硕士研究生张陈陈、陈凰绮、彭凯和王宇杰为文章共同作者。本研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室自主科技创新基金、中国科学院战略性先导科技专项、新基石研究员项目及深圳市科技创新委员会项目等项目资助。

徐曙彤教授课题组隶属于华中农业大学、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室和湖北洪山实验室。主要利用X射线晶体学和冷冻电镜等结构生物学手段，结合生物化学、细胞生物学和生物信息学等方法，研究具有重要生物学功能的蛋白质复合物的作用机制。课题组围绕着生物固氮及氮高效利用方向开展了系列研究。近期（2026年6月9日），Plant Cell杂志发表了该团队揭示NSP1-NSP2转录复合物调控豆科植物结瘤固氮的分子机制的相关工作（Structural basis of NSP1-NSP2 heterodimerization and its regulatory mechanism in legume nodulation）。课题组氛围和谐，诚邀有结构生物学、生物化学或植物遗传研究背景的博士来课题组开展博士后研究。联系方式：

xushutong@mail.hzau.edu.cn

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-75068-8