GA2-oxidase氧化酶基因的研究进展_郭姗姗.pdf

2023，Vol.43，No.06农业与技术农业科学GA2oxidase 氧化酶基因的研究进展郭姗姗(东北林业大学生命科学学院，黑龙江 哈尔滨 150040)摘要:GA2oxidase 氧化酶(GA2ox)是影响赤霉素合成和代谢的关键酶之一，其可以将具有生物活性的赤霉素或前体分解成没有生物活性的物质，在植物的生长发育中起着重要的作用。目前已经在拟南芥、杨树、水稻和葡萄等多种植物中克隆表达，其功能在不同物种之间也存在着差异。本研究主要从 GA2ox 基因的表达模式和基因功能进行阐述，重点阐述了 GA2ox 基因的时空表达情况，环境和激素对 GA2ox 基因的表达影响;GA2ox 基因对植物的株高、花、果实和种子性状的改变，及与抗性的相互作用，更好地为了解 GA2ox 基因的作用机制提供参考。关键词:赤霉素氧化酶;GA2oxidase 氧化酶;基因表达;功能分析中图分类号:S3文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330005收稿日期:20230117作者简介:郭姗姗(1997)，女，硕士在读。研究方向:植物遗传与育种。引言赤霉素(GAs)作为植物 6 大激素之一，参与植物生长发育的许多过程，能够促进种子的萌发、茎的伸长、叶的膨大、花的发育以及果实的成熟。目前已经发现有 136 种 GAs，其中有 4 种具有生物活性，分别为 GA1、GA3、GA4 和 GA7。在高等植物的种子、果实、伸长的茎端和根尖中能够合成。赤霉素的合成和代谢途径受到多种因素共同调节，如环境，植物发育，激素含量和内源酶的含量。研究发现，GAs 有多种失活机制，但 是 主要是由 GA2 oxidase 氧化 酶(GA2ox)基因编码酶催化的，其可以使植物体内具有生物活性的 GAs 及其前体和其他中间产物分解失活，进而保持植物体内具有生物活性的 GAs 和中间体之间的平衡。GA2ox 属于 2酮戊二酸双加氧酶(2OGFeII_Oxy)超家族，通过不同的基因家族独立编码，包含DIOX_N(PF14226)和 2OGFeII_ Oxy(PF03171)2个结构域。根 据 碳 原子 的数 目 和结 构分 为 C19 GA2oxs 和 C20GA2oxs，C19GA2oxs 通过 2 羟基化反应将有生物活性的 C19GAs(GA1 和 GA4)及其前体物质(GA20 和 GA9)转化为没有活性的 GA8，GA34，GA29 和 GA51;C20GA2oxs 将有生物活性的GA12 和 GA53 通过羟基化反应转化为没有生物活性的 GA110 和 GA97。编码 GA2ox 的基因最早是从红花菜豆(Phaseoluscoccineus)子叶 cDNA 文库分离得到，并证明其具有降解赤霉素的功能，并在大肠杆菌中进行了功能验证。随着研究的深入，GA2ox 基因的功能己在多种植物中得到了表征，如在水稻(Oryza sati-va)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)、毛果杨(Popu-lus trichocarpa)中分别鉴定出 11 个、7 个和 15 个GA2ox 家族成员;在葡萄(Vitis vinifera)中有 11 个GA2ox 家族成员;桃(Prunus persica)基因组中获得7 个 PpGA2ox 基因。GA2ox 受到激素调节、信号通路和外界环境等因素影响，在植物发育中具有多样性的功能。目前研究主要在基因克隆、转录水平和功能效应等方面，本文将探讨 GA2ox 在植物生长发育中生物作用，为 GA2ox 基因功能研究提供参考。1GA2oxidase 氧化酶基因的表达模式1.1时空表达基因表达的时空性是指基因的表达在个体发育的不同阶段以及在个体的不同组织和细胞类型中均不相同。在拟南芥中，AtGA2ox1 在下胚轴和侧根原基中特异表达，AtGA2ox2 在地上部组织中高表达，At-GA2ox3 在花序的早期胚囊和合子胚乳中表达，At-GA2ox4 在茎尖分生组织和侧根起始，AtGA2ox6 在成熟区表达，而在根分生组织或伸长区不表达，AtGA2ox7 在几乎所有的发育阶段组成型表达，AtGA2ox8 仅在气孔细胞中表达1;CoGA2ox3 在黄麻(Corchorus sp)81农业科学农业与技术2023，Vol.43，No.06的顶端节间高度表达;在黄瓜(Cucumis sativus)中，CsGA2ox1 和 CsGA2ox2 在根中的表达 量较 高;Pq-GA2oxs 在西洋参(Panax quiquefolium)不同器官中差异表达，尤其是茎中表达丰度最高，明显高于根和叶;3 个 PvGA2oxs 相关基因在柳枝稷中(Panicumvirgatum)克隆得到，分别为 PvGA2ox5、PvGA2ox6 和PvGA2ox9，在圆锥花序中，PvGA2ox6 和 PvGA2ox9 表达水平较高，在幼苗和根中 PvGA2ox5 高表达;在菠菜(Spinacia oleracea)中，SoGA2ox3 在茎尖的表达量明显高于叶柄和幼叶2;在苹果(Malus pumilaMill)中克隆得到 MdGA2ox1，其基因主要在花中表达;荧光定量结果发现，芹菜(Apium graveolens)中的 AgGA2ox 基因在叶柄和叶片的表达量显著低于茎中。不同时期的相同组织中的表达量也会有较大的差异，如草地早熟禾(Poa pratensis)的叶片中，幼嫩的叶片表达水平较高，这与葡萄中的研究结果一致，在幼嫩的叶片中表达量较高，在衰老的叶片中表达量较低，并且葡萄花序、叶片和果实等器官中 VvGA2ox1均有表达，但是高表达水平主要发生在花序、幼叶和小果中3。1.2环境响应植物体还可通过调节 GA2oxs 基因的表达来响应外界环境的变化，如光照、温度等。在拟南芥中，光敏色素 A 与光敏色素 B 调控发芽的条件，光照激活光敏色素因子，从而抑制 AtGA2ox2 的表达，促进种子的萌发，在黑暗环境下，AtGA2ox1 表达水平增加，使拟南芥中的赤霉素含量变少，种子萌发受到抑制;在蓝光条件下，隐花色素调节 GA4 的水平，诱导 At-GA2ox1 的表达;低温条件下，DOG1 的表达上调，促使 AtGA2ox6 的表达量上升，使具有生物活性的 GA含量变少;冷处理成熟的拟南芥种子后，抑制 At-GA2ox2 基因的表达，显著增加了 GA 的含量4;Os-GA2ox4 的表达被光上调并影响节间伸长，这可能有助于增加水稻的抗倒伏性5;低温时豌豆的 GA1 的含量降低，PsGA2ox2 表达上调，抑制茎的伸长。从这些研究表明，环境因素可以影响植物体内的赤霉素含量，而这个过程可能是由 GA2ox 基因调控的。1.3激素响应GA2ox 基因在植物中的表达水平受到激素含量的影响。有研究发现外源施加生长素可以促进拟南芥和向日葵中的 GA 的含量，GA2ox 基因的表达量降低;生长素诱导 GA1 的含量，AtGA2ox1 出现下调表达;对早熟禾施加 5molL1赤霉素后，GA2ox 基因上调表达，施加 10molL1吲哚乙酸也出现了同样的现象;在番茄果实成熟时，乙烯含量上升，促进 Sl-GA2ox 基因的表达，同时也影响乙烯合成基因的表达6;外源施加乙烯和 GA 后，SlGA2ox2、SlGA2ox5、SlGA2ox6 和 SlGA2ox8 表达量上升，而经过赤霉素抑制剂 PCA 处理后，这些基因下调表达;在水稻中，乙烯信号的转录因 子 OsEIL1 激 活 OsGA2ox1、Os-GA2ox2、OsGA2ox3 和 OsGA2ox5 的表达，使具有生物活性的 GA 变少7;用 ABA 处理拟南芥幼苗期的突变体 ga1，AtGA2ox6 的表达量上升8。2GA2oxidase 氧化酶基因的功能2.1GA2ox 对株高的影响赤霉素与茎的伸长密切相关。茶树(Camelliasinensis)的 GA2ox 基因在烟草中异源表达，转基因烟草会出现植株矮小、开花时间边长、叶片颜色加深9;在烟草中过表达 AtGA2ox7 和 AtGA2ox8 同样出现了矮化的表型;李(Prunus salicina)的 PsGA2ox基因在拟南芥中过表达，拟南芥植株变矮;在豌豆(Pisum sativum)中编码 GA2ox 基因的缺失后，赤霉素的含量增加，植株伸长;过表达核桃(Juglans re-gia)JrGA2ox 基因获得了矮化的植株;水稻中的 SBI基因，在茎秆中特异表达，该基因能够编码 GA2ox 基因，使水稻中的赤霉素含量变少，植株变矮，增加了水稻的抗倒伏能力;在白喜 草(Paspalum notatumFlugge)中过表达拟南芥的 AtGA2ox1 基因，同样出现了植株矮化的现象10;PcGA2ox1 的异位表达不同程度地降低了转基因小麦的株高。2.2GA2ox 对花、果实、叶片和种子的影响在烟草中异源表达荔波连蕊茶的 ClGA2ox13 基因，转基因植株生长缓慢，开花迟缓，叶片变小颜色变深;过表达杨树的 PtGA2ox 基因后会出现提前开花的现象;AtGA2ox8 在油菜中的异源表达增加了叶绿素含量，减少种子的萌发11;而在拟南芥中过表达油菜 BnGA2ox6 后，下胚轴和茎变短，种子萌发的时间变长，开花也出现延迟;而过表达 BnGA2ox2 的转基因拟南芥和油菜叶片颜色较深，叶绿素和花青素积累程度增加，硅果变短和种子变小;麻疯树的 Jc-GA2ox6 在拟南芥或麻疯树中过表达，其转基因植株与野生型相比叶子和花都变小，还有较短的长角果和较小的种子12;拟南芥的 ga2ox6 突变体中花蜜产量减少，而 GA2ox6 的过表达植株可以使花蜜产量显著增加。2.3GA2ox 对抗性的影响一些研究发现赤霉素氧化酶基因会响应非生物胁迫。过表达的 OsGA2ox5 可以提高水稻的对盐的抗性;在拟南 GA2ox 基因家族中，AtGA2ox7 启动子包含912023，Vol.43，No.06农业与技术农业科学DE 基序(GCCGAC 和 ATCGAC)，并且该基因的表达在高盐胁迫时显著上调，增加了对盐胁迫的抵抗力，并引起了形态变化13;在冷胁迫下，拟南芥中的 AtGA2ox 基因上调表达，使有活性的赤霉素含量变低，通过降低赤霉素的水平来应对冷胁迫，干旱胁迫也是如此;过表达 AtGA2ox 基因增加了活性氧解毒酶基因的表达，从而提高拟南芥的应激耐受性;在干旱胁迫下，玉米的自交系中 GA2ox 表达水平显著增加;过表达 GA2ox6 的转基因水稻植物对干旱胁迫的耐受性提高，脯氨酸含量更高，过氧化氢酶(CAT)活性增强，抗坏血酸过氧化物酶含量增加，水分利用效率提高，光合作用速率也增加;与非转基因品系相比，过表达 GhGA2ox1 的陆地棉(Gossypium hirsutum)对干旱和盐胁迫的耐受性增强，并且游离脯氨酸和叶绿素的含量更高，相对含水量增加14;StGA2ox1 在马铃薯中(Solanum tuberosum)的过表达导致盐，干旱，外源激素和低温胁迫耐受性的增加，这可能与叶绿素，类胡萝卜素和水分流失的控制增强以及渗透保护剂的随后积累有关，Shi 等认为 StGA2ox1 可以调节GA 的合成，并进一步影响马铃薯的植物生长和胁迫响应15。这些结果表明，内源性 GA 水平通过诱导GA2ox 基因而降低，从而使植物能够耐受并适应胁迫。3展望赤霉素可以影响植物的生长发育和生理过程，赤霉素相关的 GA2ox 基因同样也具有重要的作用。目前对 GA2ox 基因的研究已经取得了重要的进展，但是大部分的植物中的 GA2ox 基因家族鉴定仍然没有完成，所以有很多问题需要进一步研究。在不同植物中GA2ox 家族有多少家族成员，不同家族成员之间是否存在相互作用的机制;GA2ox 与其他激素在分子水平的调控机制，与环境和抗性的相互关系需要进一步的了解。GA2ox 的一些相关研究也可以在生产中得到应用，GA2ox 可以使植株变矮，增加作物的抗倒伏能力，可以通过分子技术手段去培育具有生