该论文于2008年1月24日发表在Nature期刊上，是一项关于植物如何整合光和赤霉素（Gibberellin, GA）信号以调控发育的原创性研究。论文的主要作者包括第一作者冯素华（Suhua Feng）及多位共同第一作者Cristina Martinez, Giuliana Gusmaroli, 王宇（Yu Wang）等，通讯作者为邓兴旺（Xing Wang Deng）。研究机构涵盖美国耶鲁大学（Yale University）、中国北京生命科学研究所（NIBS）、中国北京大学的北京-耶鲁植物分子遗传及农业生物技术联合中心（Peking–Yale Joint Center）等多家国际知名研究单位。
本研究的科学领域为植物分子生物学与发育生物学，具体聚焦于信号转导通路。光和赤霉素是调控植物许多关键发育过程（如种子萌发、下胚轴伸长、开花等）的两类核心环境与激素信号。长期以来，人们知道这两条通路存在交叉互作，但其在分子水平上的精确整合机制尚不明确。
关键的背景知识包括：1) DELLA蛋白是GA信号通路中的核心抑制因子，其蛋白丰度受GA负调控。GA通过泛素/蛋白酶体途径降解DELLA蛋白。2) 光信号通过降低植物体内GA水平来促进DELLA蛋白的积累，从而抑制生长（如促进光形态建成，抑制下胚轴伸长）。3) PIF3（Phytochrome-Interacting Factor 3）是一个与光敏色素（phytochrome）相互作用的bHLH型转录因子，在红光下促进下胚轴伸长，其自身活性也受光敏色素介导的蛋白酶体降解调控。
尽管已知DELLA蛋白通过影响基因表达来抑制生长，但DELLA蛋白本身并非典型的DNA结合蛋白，其如何精确调控下游基因表达的机制是未知的。因此，本研究的核心目的是揭示DELLA蛋白在协调GA信号与光响应基因表达之间的分子机制，并阐明光与GA信号通路在核内交汇的具体蛋白作用级联。
本研究采用了多层次的分子、遗传和细胞生物学手段，流程严谨、系统，主要包含以下几个关键步骤：
第一步：确立DELLA蛋白在光与GA调控下胚轴伸长中的核心地位。 * 研究对象与样本： 使用了多种基因型的拟南芥（Arabidopsis thaliana）幼苗，包括野生型（WT）、五个DELLA蛋白（RGA, GAI, RGL1, RGL2, RGL3）分别带有串联亲和纯化标签（TAP-tag）的过表达转基因株系、以及对这些DELLA蛋白进行功能缺失突变的植株（如缺失17个氨基酸关键结构域的突变体rgad17, gaid17，它们能抵抗GA诱导的降解）。还构建了五重缺失突变体（della pentuple mutant）。样本为在光下或黑暗中生长的幼苗。 * 实验处理与方法： 1) 蛋白免疫印迹分析（Immunoblot）： 用GA活性形式GA3、GA生物合成抑制剂多效唑（Paclobutrazol, PAC）以及蛋白酶体特异性抑制剂MG132处理幼苗，检测内源及TAP标签DELLA蛋白的丰度变化。2) 表型分析： 在含有不同浓度GA3或PAC的培养基上，测量不同基因型幼苗在黑暗或红光下的下胚轴长度。 * 新颖方法： 系统性地构建了所有五个拟南芥DELLA蛋白的TAP标签株系，并制备了针对内源RGA蛋白的抗体，这为在体内研究DELLA蛋白的动态和相互作用提供了关键工具。
第二步：探究DELLA蛋白的作用机制——与转录因子PIF3的相互作用。 基于第一步的结果（DELLA和PIF3对下胚轴伸长有相反作用），研究人员假设DELLA可能通过调控PIF3来发挥作用。 * 研究对象与样本： 除了上述材料，还引入了pif3功能缺失突变体（pif3-1）、PIF3过表达株系（35S-PIF3），以及rga-gai双突变体等。 * 实验处理与方法： 1) 遗传互作分析： 系统分析了这些突变体和过表达株系对GA3和PAC的敏感性，比较其下胚轴表型。2) 蛋白质相互作用验证： a. 酵母双杂交（Yeast two-hybrid）： 验证DELLA家族五个成员与PIF3的相互作用。b. 双分子荧光互补（Bimolecular Fluorescence Complementation, BiFC）： 在活的植物细胞（本氏烟草叶片表皮细胞）核内验证RGA与PIF3的直接相互作用。c. 免疫共沉淀（Co-immunoprecipitation, Co-IP）： 在拟南芥幼苗体内，检测RGA与PIF3的相互作用，并分析GA3和PAC处理对该相互作用的影响。3) 体外竞争实验： 进行体外Pull-down实验，在存在或不存在PIF3的DNA结合位点（G-box探针）的情况下，检验该DNA探针是否影响RGA与PIF3的结合。
第三步：验证DELLA蛋白通过抑制PIF3的DNA结合活性来调控基因表达。 为了证明DELLA-PIF3相互作用的功能性后果，研究转向了染色质和转录水平分析。 * 研究对象与样本： 主要使用PIF3过表达（35S-PIF3-His-Myc）株系和野生型幼苗。 * 实验处理与方法： 1) 染色质免疫沉淀-聚合酶链式反应（ChIP-PCR）： 这是关键实验。使用抗Myc抗体，富集与PIF3-Myc蛋白结合的DNA片段。研究人员通过文献和芯片微阵列分析筛选了5个推定的PIF3靶基因启动子区域。在黑暗条件下，用GA3或PAC处理幼苗，然后进行ChIP实验，检测PIF3在这些靶基因启动子上的结合量变化。2) 半定量逆转录PCR（RT-PCR）： 分析在不同遗传背景（PIF3过表达、della突变体、rgad17过表达）以及GA3/PAC处理下，两个代表性PIF3靶基因的转录水平变化。
第四步：阐明GA信号如何启动——从受体GID1到DELLA蛋白降解的级联。 为了将上游GA信号与DELLA-PIF3模块连接起来，研究聚焦于GA受体GID1蛋白。 * 研究对象与样本： 构建了三个拟南芥GID1蛋白（GID1a, GID1b, GID1c）分别带有YFP、Flag、Myc或HA标签的过表达株系，并使用了gid1单突变体和三突变体。 * 实验处理与方法： 1) 酵母双杂交： 验证GID1s与DELLA蛋白（包括野生型和缺失17aa的突变体）的相互作用，及其对GA的依赖性。2) BiFC： 在活细胞中验证GID1c与RGA的直接相互作用。3) 免疫共沉淀与泛素化检测： a. 检测GID1a与五个TAP-DELLA蛋白的相互作用，以及GA3和MG132处理的影响。b. 关键实验：使用抗泛素抗体，检测在MG132存在下，经GA3处理后与GID1a共沉淀的DELLA蛋白是否发生多聚泛素化。同时检测了gaid17突变体与GID1a的相互作用及泛素化状态。c. 分别检测三个GID1s与内源RGA的相互作用，分析GA3和PAC处理的影响。
数据分析工作流程： 实验数据主要为蛋白免疫印迹条带强度、酵母双杂交的β-半乳糖苷酶活性、ChIP-PCR和RT-PCR的条带或信号强度、下胚轴长度的统计学测量（平均值±标准差）。结果主要通过直观的图片对比和定量图表（柱状图）呈现，并进行统计学分析以确定显著性差异。遗传表型与分子事件之间建立了紧密的逻辑关联。
结果一： DELLA蛋白的丰度受GA和蛋白酶体途径的负调控，并是光与GA调控下胚轴伸长的关键节点。免疫印迹显示，GA3处理1小时即可快速降解所有五种DELLA蛋白，此效应可被MG132阻断，而PAC促进DELLA积累。缺失17aa的DELLA突变体（rgad17, gaid17）对GA不敏感，且过表达导致植株矮化。表型分析表明，DELLA功能缺失突变体（双突变、五突变）下胚轴更长且对PAC不敏感，而过表达gaid17/rgad17下胚轴极短且对GA不敏感。这证实了GA主要通过调控DELLA蛋白丰度来控制下胚轴生长。
结果二： DELLA蛋白与转录因子PIF3在物理和遗传上相互作用，并负调控PIF3的功能。酵母双杂交、BiFC和体内Co-IP均证实了RGA与PIF3的直接相互作用。遗传分析显示，pif3突变体表型（短下胚轴、对GA部分不敏感、对PAC超敏感）类似于DELLA功能增强型植株（如rgad17过表达），而PIF3过表达株系表型（长下胚轴、对PAC不敏感）类似于DELLA功能缺失型植株（如GA处理或della突变体）。这强烈暗示PIF3位于DELLA下游，且DELLA抑制PIF3的促生长活性。
结果三： DELLA蛋白通过结合PIF3并阻止其与靶基因启动子结合来抑制基因表达。体外Pull-down实验显示，PIF3的DNA结合位点（G-box探针）能特异性抑制RGA与PIF3的结合，说明两者结合存在竞争。体内ChIP-PCR实验证明，当用PAC处理增加DELLA蛋白水平时，PIF3在其五个靶基因启动子上的结合显著减少；反之，用GA3处理降低DELLA水平时，PIF3的结合增强。RT-PCR结果显示，降低DELLA水平（della突变或GA处理）与过表达PIF3对靶基因表达的调控方向一致，而增加DELLA水平（过表达rgad17或PAC处理）则产生相反的调控效果。这直接证明了DELLA通过“隔离”PIF3来抑制其转录激活功能。
结果四： GA信号通过其核受体GID1s启动，引发DELLA蛋白的泛素化和降解。酵母双杂交和BiFC证实了GA依赖的GID1-DELLA相互作用，该相互作用需要DELLA蛋白中那17个氨基酸的关键结构域。体内Co-IP实验表明，GA3处理显著增强了GID1s与DELLA蛋白的相互作用。更重要的是，在MG132存在下，GA3处理导致与GID1a共沉淀的DELLA蛋白出现高分子量的多聚泛素化形式，而gaid17突变体既不能与GID1a有效结合，也几乎不发生泛素化。这表明，GA结合GID1后，增强了GID1与DELLA的互作，进而引导DELLA被泛素化并最终被蛋白酶体降解。
本研究构建了一个清晰的核内蛋白作用级联模型，阐明了光与GA信号整合的分子机制：在缺乏GA时（如光下），核内DELLA蛋白积累，通过其与PIF3等bHLH转录因子的直接物理结合，将后者“隔离”，使其无法结合靶基因启动子，从而抑制了下胚轴伸长等生长相关基因的表达。当存在GA时（如暗中），GA在核内被其受体GID1蛋白感知并形成GA-GID1复合物。该复合物与DELLA蛋白高亲和力结合，触发DELLA的多聚泛素化和随后的蛋白酶体降解。DELLA的降解解除了对PIF3的抑制，被释放的PIF3得以结合DNA并激活下游基因表达，从而促进生长。
本研究的科学价值极高：1) 机制创新性： 首次揭示了DELLA蛋白作为“转录共抑制因子”的作用模式，即不直接结合DNA，而是通过蛋白-蛋白相互作用抑制DNA结合转录因子的活性，这为理解GRAS家族蛋白的功能提供了新范式。2) 通路整合： 清晰地描绘了光与GA两条重要信号通路在蛋白质降解层面交汇的完整分子路径，从GA受体感知信号，到DELLA抑制子被移除，再到下游转录因子被激活，形成了一个逻辑严密的信号转导链条。3) 普遍意义： 文章指出，除PIF3外，其他bHLH转录因子（如PIF4、PIL5、SPT）也可能是DELLA的靶标，这意味着该机制可能是一个广泛适用的、通过DELLA整合多种信号以调控bHLH转录因子网络的核心范式，对理解植物如何协调环境与内源信号调控发育具有根本性意义。
论文在讨论部分提出了前瞻性观点：GID1b即使在低GA或无GA条件下也能与DELLA有一定程度的结合，这可能存在一条不依赖于GA的途径来调控DELLA，这对于在GA水平较低时维持DELLA蛋白的稳态可能至关重要。此外，研究将光信号（通过光敏色素影响PIF3稳定性）和GA信号（通过GID1影响DELLA稳定性）对同一靶蛋白（PIF3）的调控联系起来，揭示了环境信号与激素信号在调控关键转录因子活性上的精妙协同与拮抗，深化了对植物信号网络复杂性的理解。