GA2-oxidase氧化酶基因的研究進展

郭姍姍

(東北林業(yè)大學生命科學學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

引言

赤霉素(GAs)作為植物6大激素之一，參與植物生長發(fā)育的許多過程，能夠促進種子的萌發(fā)、莖的伸長、葉的膨大、花的發(fā)育以及果實的成熟。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有136種GAs，其中有4種具有生物活性，分別為GA1、GA3、GA4和GA7。在高等植物的種子、果實、伸長的莖端和根尖中能夠合成。赤霉素的合成和代謝途徑受到多種因素共同調(diào)節(jié)，如環(huán)境，植物發(fā)育，激素含量和內(nèi)源酶的含量。研究發(fā)現(xiàn),GAs有多種失活機制，但是主要是由GA2-oxidase氧化酶(GA2ox)基因編碼酶催化的，其可以使植物體內(nèi)具有生物活性的GAs及其前體和其他中間產(chǎn)物分解失活，進而保持植物體內(nèi)具有生物活性的GAs和中間體之間的平衡。

GA2ox屬于2-酮戊二酸-雙加氧酶(2OG-FeII_Oxy)超家族，通過不同的基因家族獨立編碼，包含DIOX_N(PF14226)和2OG-FeII_Oxy(PF03171)2個結(jié)構(gòu)域。根據(jù)碳原子的數(shù)目和結(jié)構(gòu)分為C19-GA2oxs和C20-GA2oxs，C19-GA2oxs通過2-β羥基化反應將有生物活性的C19-GAs(GA1和GA4)及其前體物質(zhì)(GA20和GA9)轉(zhuǎn)化為沒有活性的GA8，GA34，GA29和GA51；C20-GA2oxs將有生物活性的GA12和GA53通過羥基化反應轉(zhuǎn)化為沒有生物活性的GA110和GA97。編碼GA2ox的基因最早是從紅花菜豆(Phaseoluscoccineus)子葉cDNA文庫分離得到，并證明其具有降解赤霉素的功能，并在大腸桿菌中進行了功能驗證。隨著研究的深入，GA2ox基因的功能己在多種植物中得到了表征，如在水稻(Oryza sativa)、擬南芥(Arabidopsis thaliana)、毛果楊(Populus trichocarpa)中分別鑒定出11個、7個和15個GA2ox家族成員；在葡萄(Vitis vinifera)中有11個GA2ox家族成員；桃(Prunus persica)基因組中獲得7個PpGA2ox基因。GA2ox受到激素調(diào)節(jié)、信號通路和外界環(huán)境等因素影響，在植物發(fā)育中具有多樣性的功能。目前研究主要在基因克隆、轉(zhuǎn)錄水平和功能效應等方面，本文將探討GA2ox在植物生長發(fā)育中生物作用，為GA2ox基因功能研究提供參考。

1 GA2-oxidase氧化酶基因的表達模式

1.1 時空表達

基因表達的時空性是指基因的表達在個體發(fā)育的不同階段以及在個體的不同組織和細胞類型中均不相同。在擬南芥中，AtGA2ox1在下胚軸和側(cè)根原基中特異表達，AtGA2ox2在地上部組織中高表達，AtGA2ox3在花序的早期胚囊和合子胚乳中表達，AtGA2ox4在莖尖分生組織和側(cè)根起始，AtGA2ox6在成熟區(qū)表達，而在根分生組織或伸長區(qū)不表達，AtGA2ox7在幾乎所有的發(fā)育階段組成型表達，AtGA2ox8僅在氣孔細胞中表達[1]；CoGA2ox3在黃麻(Corchorus sp)的頂端節(jié)間高度表達；在黃瓜(Cucumis sativus)中，CsGA2ox1和CsGA2ox2在根中的表達量較高；PqGA2oxs在西洋參(Panax quiquefolium)不同器官中差異表達,尤其是莖中表達豐度最高,明顯高于根和葉；3個PvGA2oxs相關(guān)基因在柳枝稷中(Panicum virgatum)克隆得到，分別為PvGA2ox5、PvGA2ox6和PvGA2ox9，在圓錐花序中，PvGA2ox6和PvGA2ox9表達水平較高，在幼苗和根中PvGA2ox5高表達；在菠菜(Spinacia oleracea)中，SoGA2ox3在莖尖的表達量明顯高于葉柄和幼葉[2]；在蘋果(Malus pumila Mill)中克隆得到MdGA2ox1，其基因主要在花中表達；熒光定量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，芹菜(Apium graveolens)中的AgGA2ox基因在葉柄和葉片的表達量顯著低于莖中。不同時期的相同組織中的表達量也會有較大的差異，如草地早熟禾(Poa pratensis)的葉片中，幼嫩的葉片表達水平較高，這與葡萄中的研究結(jié)果一致，在幼嫩的葉片中表達量較高，在衰老的葉片中表達量較低，并且葡萄花序、葉片和果實等器官中VvGA2ox1均有表達,但是高表達水平主要發(fā)生在花序、幼葉和小果中[3]。

1.2 環(huán)境響應

植物體還可通過調(diào)節(jié)GA2oxs基因的表達來響應外界環(huán)境的變化，如光照、溫度等。在擬南芥中，光敏色素A與光敏色素B調(diào)控發(fā)芽的條件，光照激活光敏色素因子，從而抑制AtGA2ox2的表達，促進種子的萌發(fā)，在黑暗環(huán)境下，AtGA2ox1表達水平增加，使擬南芥中的赤霉素含量變少，種子萌發(fā)受到抑制；在藍光條件下，隱花色素調(diào)節(jié)GA4的水平，誘導AtGA2ox1的表達；低溫條件下，DOG1的表達上調(diào)，促使AtGA2ox6的表達量上升，使具有生物活性的GA含量變少；冷處理成熟的擬南芥種子后，抑制AtGA2ox2基因的表達，顯著增加了GA的含量[4]；OsGA2ox4的表達被光上調(diào)并影響節(jié)間伸長，這可能有助于增加水稻的抗倒伏性[5]；低溫時豌豆的GA1的含量降低，PsGA2ox2表達上調(diào)，抑制莖的伸長。從這些研究表明，環(huán)境因素可以影響植物體內(nèi)的赤霉素含量，而這個過程可能是由GA2ox基因調(diào)控的。

1.3 激素響應

GA2ox基因在植物中的表達水平受到激素含量的影響。有研究發(fā)現(xiàn)外源施加生長素可以促進擬南芥和向日葵中的GA的含量，GA2ox基因的表達量降低；生長素誘導GA1的含量，AtGA2ox1出現(xiàn)下調(diào)表達；對早熟禾施加5μmol·L-1赤霉素后，GA2ox基因上調(diào)表達，施加10μmol·L-1吲哚乙酸也出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象；在番茄果實成熟時，乙烯含量上升，促進SlGA2ox基因的表達，同時也影響乙烯合成基因的表達[6]；外源施加乙烯和GA后，SlGA2ox2、SlGA2ox5、SlGA2ox6和SlGA2ox8表達量上升，而經(jīng)過赤霉素抑制劑PCA處理后，這些基因下調(diào)表達；在水稻中，乙烯信號的轉(zhuǎn)錄因子OsEIL1激活OsGA2ox1、OsGA2ox2、OsGA2ox3和OsGA2ox5的表達，使具有生物活性的GA變少[7]；用ABA處理擬南芥幼苗期的突變體ga1，AtGA2ox6的表達量上升[8]。

2 GA2-oxidase氧化酶基因的功能

2.1 GA2ox對株高的影響

赤霉素與莖的伸長密切相關(guān)。茶樹(Camellia sinensis)的GA2ox基因在煙草中異源表達，轉(zhuǎn)基因煙草會出現(xiàn)植株矮小、開花時間邊長、葉片顏色加深[9]；在煙草中過表達AtGA2ox7和AtGA2ox8同樣出現(xiàn)了矮化的表型；李(Prunus salicina)的PsGA2ox基因在擬南芥中過表達，擬南芥植株變矮；在豌豆(Pisum sativum)中編碼GA2ox基因的缺失后，赤霉素的含量增加，植株伸長；過表達核桃(Juglans regia)JrGA2ox基因獲得了矮化的植株；水稻中的SBI基因，在莖稈中特異表達，該基因能夠編碼GA2ox基因，使水稻中的赤霉素含量變少，植株變矮，增加了水稻的抗倒伏能力；在白喜草(Paspalum notatum Flugge)中過表達擬南芥的AtGA2ox1基因，同樣出現(xiàn)了植株矮化的現(xiàn)象[10]；PcGA2ox1的異位表達不同程度地降低了轉(zhuǎn)基因小麥的株高。

2.2 GA2ox對花、果實、葉片和種子的影響

在煙草中異源表達荔波連蕊茶的ClGA2ox1-3基因，轉(zhuǎn)基因植株生長緩慢，開花遲緩，葉片變小顏色變深；過表達楊樹的PtGA2ox基因后會出現(xiàn)提前開花的現(xiàn)象；AtGA2ox8在油菜中的異源表達增加了葉綠素含量，減少種子的萌發(fā)[11]；而在擬南芥中過表達油菜BnGA2ox6后，下胚軸和莖變短，種子萌發(fā)的時間變長，開花也出現(xiàn)延遲；而過表達BnGA2ox2的轉(zhuǎn)基因擬南芥和油菜葉片顏色較深，葉綠素和花青素積累程度增加，硅果變短和種子變??；麻瘋樹的JcGA2ox6在擬南芥或麻瘋樹中過表達，其轉(zhuǎn)基因植株與野生型相比葉子和花都變小，還有較短的長角果和較小的種子[12]；擬南芥的ga2ox6突變體中花蜜產(chǎn)量減少，而GA2ox6的過表達植株可以使花蜜產(chǎn)量顯著增加。

2.3 GA2ox對抗性的影響

一些研究發(fā)現(xiàn)赤霉素氧化酶基因會響應非生物脅迫。過表達的OsGA2ox5可以提高水稻的對鹽的抗性；在擬南GA2ox基因家族中，AtGA2ox7啟動子包含DRE基序(GCCGAC和ATCGAC)，并且該基因的表達在高鹽脅迫時顯著上調(diào)，增加了對鹽脅迫的抵抗力，并引起了形態(tài)變化[13]；在冷脅迫下，擬南芥中的AtGA2ox基因上調(diào)表達，使有活性的赤霉素含量變低，通過降低赤霉素的水平來應對冷脅迫，干旱脅迫也是如此；過表達AtGA2ox基因增加了活性氧解毒酶基因的表達，從而提高擬南芥的應激耐受性；在干旱脅迫下，玉米的自交系中GA2ox表達水平顯著增加；過表達GA2ox6的轉(zhuǎn)基因水稻植物對干旱脅迫的耐受性提高，脯氨酸含量更高，過氧化氫酶(CAT)活性增強，抗壞血酸過氧化物酶含量增加，水分利用效率提高，光合作用速率也增加；與非轉(zhuǎn)基因品系相比，過表達GhGA2ox1的陸地棉(Gossypium hirsutum)對干旱和鹽脅迫的耐受性增強，并且游離脯氨酸和葉綠素的含量更高，相對含水量增加[14]；StGA2ox1在馬鈴薯中(Solanum tuberosum)的過表達導致鹽，干旱，外源激素和低溫脅迫耐受性的增加，這可能與葉綠素，類胡蘿卜素和水分流失的控制增強以及滲透保護劑的隨后積累有關(guān)，Shi等認為StGA2ox1可以調(diào)節(jié)GA的合成，并進一步影響馬鈴薯的植物生長和脅迫響應[15]。這些結(jié)果表明，內(nèi)源性GA水平通過誘導GA2ox基因而降低，從而使植物能夠耐受并適應脅迫。

3 展望

赤霉素可以影響植物的生長發(fā)育和生理過程，赤霉素相關(guān)的GA2ox基因同樣也具有重要的作用。目前對GA2ox基因的研究已經(jīng)取得了重要的進展，但是大部分的植物中的GA2ox基因家族鑒定仍然沒有完成，所以有很多問題需要進一步研究。在不同植物中GA2ox家族有多少家族成員，不同家族成員之間是否存在相互作用的機制；GA2ox與其他激素在分子水平的調(diào)控機制，與環(huán)境和抗性的相互關(guān)系需要進一步的了解。GA2ox的一些相關(guān)研究也可以在生產(chǎn)中得到應用，GA2ox可以使植株變矮，增加作物的抗倒伏能力，可以通過分子技術(shù)手段去培育具有生長優(yōu)勢的作物品種，對農(nóng)業(yè)發(fā)展有重要的作用，但是GA2ox的具體調(diào)控網(wǎng)路尚不清晰，需要更深入的研究與探討。