南湖新闻网讯（通讯员 薛重玉）近日，生命科学技术学院、农业微生物资源发掘与利用全国重点实验室、湖北洪山实验室徐曙彤教授课题组联合中国科学院遗传与发育生物学研究所傅向东院士团队，在国际学术期刊Nature Communications在线发表题为“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。
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。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。
研究团队首先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。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。
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slr1Y94A和slr1Y580A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。
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。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-75068-8
【英文摘要】
The Green Revolution of the 1960s significantly boosted cereal yields but incurred substantial environmental costs due to overreliance on chemical fertilizer inputs; thus, future agricultural sustainability demands improved nitrogen-use efficiency (NUE). The semi-dwarf Green Revolution varieties (GRVs) characterized by elevated DELLA protein accumulation introduce a fundamental trade-off, increasing lodging resistance and harvest index at the expense of diminished biomass and grain productivity per plant, and require high nitrogen fertilizer inputs to achieve maximum yield potential under high planting density. Here we show that gibberellin (GA)-bound GA-INSENSITIVE DWARF1 (GID1) induces multi-level conformational changes in DELLA protein, affecting its N-terminal DELLA and VHYN/DPT/S and C-terminal VVLV and SAW motifs, thereby facilitating recognition by the SKP1-CULLIN-F-box (SCF) ubiquitin ligase complex and subsequent proteasomal degradation. We also performed structure-guided engineering of the rice SLENDER RICE1 (SLR1)-GID1-GID2 complex and created a series of dwarf alleles exhibiting a continuous spectrum of plant heights in elite cultivars. Notably, the dominant alleles slr1Y94A and slr1Y580A achieved superior yield and enhanced NUE over conventional sd1-containing GRVs. Reprogramming DELLA turnover thus enables to break the long-standing trade-off between high yield and fertilizer dependency, offering a strategy toward a more sustainable and productive Green Revolution.
