楊意宏 徐浩 陳段芬 高志民

（1. 河北農(nóng)業(yè)大學園藝學院，保定 071001；2. 國家林業(yè)局竹藤科學與技術(shù)重點開放實驗室國際竹藤中心 竹藤資源基因科學研究所，北京 100102）

赤霉素（Gibberellin，GA）是一類調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育過程的四環(huán)雙萜化合物，最早在水稻中發(fā)現(xiàn)并命名［1］。目前已發(fā)現(xiàn)136種天然狀態(tài)下的赤霉素，按發(fā)現(xiàn)時期依次命名為GA1、GA2……，GA按C原子數(shù)目分為C19-GAS和C20-GAS兩類，也可以根據(jù)其結(jié)合狀態(tài)分為結(jié)合態(tài)和游離態(tài)。結(jié)合態(tài)GA能結(jié)合其他物質(zhì)（如葡萄糖等）具有儲存和運輸功能，但是不具活性，游離態(tài)赤霉素和結(jié)合態(tài)赤霉素之間能夠相互轉(zhuǎn)化，從而滿足植物在不同發(fā)育時期的要求［2-3］。植物中活性GA的合成過程需要經(jīng)過一系列嚴格復雜的調(diào)控，前體物質(zhì)牦牛兒牦牛兒焦磷酸（Geranylgeranylpyrophoshate，GGPP）在相關(guān)酶的作用下經(jīng)古巴焦磷酸（Copalyl diphosphate，CDP）生成內(nèi)根-貝殼杉烯（Ent-kaurene），后繼續(xù)氧化為GA前體物質(zhì)GA12-醛，隨后GA的合成途徑朝著有無GA13ox催化反應的兩個方向進行。GA12-醛經(jīng)GA13ox反應生成GA53，隨后GA20ox將GA12/GA53逐步氧化生成GA9/GA20，GA9/GA20是不具備活性的，在GA3ox的催化下生成具備活性的GA4/GA1［4-6］。

作為GA合成中將非活性GA9/GA20催化生成活性GA4/GA1的關(guān)鍵酶基因，GA3ox已在擬南芥［7］、煙草［8］、高粱、楊樹［9］、南瓜［10］、小麥［11］、蘋果［12］及葡萄［13］等物種中得到分離克隆。對其編碼蛋白的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，GA3ox含有Fe2+離子結(jié)構(gòu)域和2-酮戊二酸（2-oxoglutarate-dependent dioxygenase，2ODD）的保守結(jié)構(gòu)域［14-15］。GA3ox通過控制活性GA的生成參與調(diào)節(jié)種子的萌發(fā)、莖的伸長、展葉及開花結(jié)實等過程，發(fā)揮功能［16-17］。植物體內(nèi)GA3ox催化活性GA是一個復雜的調(diào)控過程，涉及到信號通路、激素水平等多種因子的影響，同時也受到周圍環(huán)境的干擾，光、溫度等因子通過影響GA3ox基因的轉(zhuǎn)錄水平、時空表達模式等方面參與調(diào)控植物生長過程。隨著研究的不斷深入，已通過基因克隆、突變體等相關(guān)研究對GA3ox的功能有了比較清晰的了解，目前對GA3ox的相關(guān)研究主要集中在基因表達模式及功能效應兩個方面。本文從GA3ox的基因克隆與表達模式及其功能效應方面進行綜述，探討其在植物生長發(fā)育中的作用，旨為了解GA3ox對植物生長發(fā)育調(diào)控機制提供參考。

1 高等植物中GA3ox表達模式

1.1 GA3ox的時空表達

植物中基因表達量是由基因功能決定的，受到多種因素的調(diào)控，個體間不同生長階段或不同組織中的基因表達量各有差異。利用RNA雜交對煙草不同組織分析發(fā)現(xiàn)，GA3ox在莖尖、花苞和根中的表達量較高，而葉和種皮基本不表達，煙草節(jié)間伸長前期GA3ox的活性較高，并隨著節(jié)間的伸長表達量降低，這可能是由于莖稈前期需要大量活性GAs滿足生長需求［8］；2個水稻OsGA3oxs基因在不同組織中的表達量存在差異，OsGA3ox1在未開放的花中表達量最高，OsGA3ox2則在伸展的葉片中最高，此外在萌發(fā)的種子、花藥和發(fā)育的子房中均能檢測到OsGA3oxs的表達［18］；4個AtGA3oxs相關(guān)基因分別在擬南芥發(fā)育的不同階段發(fā)揮作用，AtGA3ox1和AtGA3ox2的表達主要能促進打破植物休眠，并在營養(yǎng)生長階段發(fā)揮作用，萌發(fā)的種子、莖尖和類囊體等組織中AtGA3ox1和AtGA3ox2的表達量較多，而AtGA3ox3和AtGA3ox4則是在花、果莢等部位中表達量較高［19］；梨種皮中2個PsGA3oxs隨著種子的發(fā)育呈現(xiàn)不同變化趨勢，PsGA3ox1隨著授粉后種子的發(fā)育呈現(xiàn)上升趨勢，果皮中PsGA3ox1的含量與果實的發(fā)育正相關(guān)，隨著果實直徑快速變大，PsGA3ox1的含量達到最高，而PsGA3ox2的含量則無明顯變化［20］；小麥中TaGA3ox2在營養(yǎng)器官和花中均有表達，而小麥TaGA3ox3主要在發(fā)育的谷粒中表達，TaGA1ox-B1則在根中表達較高［21］。

1.2 GA3ox對環(huán)境的響應

光敏色素通過調(diào)節(jié)GA2ox和GA3ox的表達影響GA的濃度，紅光能抑制豌豆中GA3ox基因的表達、促進GA2ox表達，從而降低活性GA1的含量［22］；擬南芥AtGA3ox1和AtGA3ox2基因受到紅光的誘導，提高活性GA的含量，促進種子萌發(fā)［23］，黑暗條件下，擬南芥感光信號轉(zhuǎn)錄因子PIF能結(jié)合到DELLA蛋白相關(guān)基因GAI和RGA啟動子上，催化DELLA蛋白活性，抑制GA3ox的表達，降低活性GA合成［24］；短時間紅光處理能促進萵苣種子中GA3ox表達，提高活性GA的含量，促進萵苣的生長；寒冷條件下玉米內(nèi)源激素活性GA1和GA4的含量降低，其含量和合成途徑均受到抑制，ZmGA3ox1和ZmGA3ox2控制玉米枝的發(fā)育，同時調(diào)節(jié)內(nèi)源激素GA1的形成，這可能是由于寒冷條件下，GA3ox通過促進活性GA1的合成來降低寒冷對植株的脅迫作用［25］；水淹條件下水稻內(nèi)乙烯含量增加，抑制ABA合成途徑，誘導OsGA3ox表達從而降低乙烯對水稻根系的損害［26］。

1.3 GA3ox對激素的響應

GA3ox在植物中的表達受到外源激素的影響。利用外施生長素可誘導高粱GA3ox的表達，同時會抑制GA拮抗因子GA2ox的表達［27-28］；生長素處理梨后果皮中GA3ox的表達量上升［29］；IAA通過促進GA3ox的表達從而降低煙草莖稈GA20和GA1含量，可促進煙草的頂端生長［30］；細胞分裂素通過抑制GA3ox的表達，從而促進GA信號傳導中負調(diào)節(jié)因子RGA/GAI的表達，影響植物體內(nèi)GA的含量［31-32］；GA3和ABA處理水稻幼苗產(chǎn)生拮抗作用，GA3能誘導OsGA3ox2的表達，而ABA抑制該基因的表達［33］；利用一定濃度的GA3與多效唑處理正常條件下水稻種子發(fā)現(xiàn)，GA3抑制OsGA3ox2基因的表達，而在多效唑處理下該基因的表達呈上升［18］；通過對比有無GA處理盛花前后基因的表達可知，盛花期GA處理可降低VvGA3ox2的表達，從而抑制植物體內(nèi)活性GA的含量，調(diào)節(jié)葡萄盛花期所需激素要求［34］。

2 高等植物GA3ox的功能效應

2.1 GA3ox對莖稈的影響

活性GA與莖的伸長密切相關(guān)，GA相關(guān)代謝酶基因表達異常對株高造成較大影響。研究發(fā)現(xiàn)通過控制GA3ox的表達可影響植物株高，抑制植物GA3ox的表達可出現(xiàn)矮化性狀［35］。土豆中StGA3ox2的表達缺失影響節(jié)間距，與正常植物相比突變體植株矮小［36］；OsGA3ox2作為編碼影響水稻莖稈高度的基因，其結(jié)構(gòu)域的缺失會表現(xiàn)出不同程度的矮化性狀，突變體d18植株由于合成活性GA受到影響，高度降低，增加了水稻抗倒伏能力，產(chǎn)量提高［18，37］；小麥Rht12矮桿基因通過干擾TaGA3ox的表達，影響小麥中GA信號通路，從而影響株高，利用GA3處理可以使得矮桿小麥恢復到正常高度［38］；轉(zhuǎn)基因梨GA3ox的過量表達導致植物體內(nèi)活性GA1的生成，與野生型相比，轉(zhuǎn)基因植物的莖間距明顯增長［39］；此外，GA3ox還能通過調(diào)節(jié)纖維發(fā)育影響莖稈生長情況，AtGA3ox1和AtGA3ox2參與調(diào)控次生細胞壁的增厚并參與莖的生長過程，雙突變體atga3ox1、atga3ox2中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的合成受到抑制，細胞壁明顯變薄，出現(xiàn)嚴重矮化現(xiàn)象，進一步研究發(fā)現(xiàn)AtGA3ox1的缺失出現(xiàn)半矮化性狀，AtGA3ox2的缺失則在形態(tài)上無明顯差異，說明擬南芥莖的生長主要受到AtGA3ox1的調(diào)節(jié)，而兩個AtGA3oxs間則存在功能互補現(xiàn)象［40-41］。

2.2 GA3ox對花、種子、果、根發(fā)育的影響

GA3ox家族包含多個成員，參與植物生長發(fā)育的各個階段。煙草GA3ox通過影響花粉粒與絨氈層的形成調(diào)節(jié)花的發(fā)育，NtGA3ox調(diào)節(jié)早期花粉粒的形成［10］；水稻OsGA3oxs調(diào)節(jié)植物花器官發(fā)育，主要在花藥和類囊體成熟階段發(fā)揮作用，未成熟組織中OsGA3ox2的表達量高，能調(diào)節(jié)花藥發(fā)育，突變體d18植株中并未出現(xiàn)單性結(jié)實現(xiàn)象，這可能是因為OsGA3ox1催化生成活性GA4調(diào)節(jié)花藥發(fā)育，從而使突變體花藥正常發(fā)育。而osga3ox2突變體出現(xiàn)嚴重矮化現(xiàn)象，但仍有種子產(chǎn)生，說明OsGA3ox1參與調(diào)控水稻種子的發(fā)育；活性GA誘導根細胞的分裂分化，促進根生長，擬南芥AtGA3ox1和AtGA3ox2通過控制活性GA的生成協(xié)同調(diào)節(jié)根系生長，利用atga3ox1、atga3ox2雙突變體研究發(fā)現(xiàn)其種子萌發(fā)困難，莖生長緩慢，且出現(xiàn)果莢開裂的現(xiàn)象，這可能是由于AtGA3ox1和AtGA3ox2兩個基因與植物器官衰老相關(guān)所造成的。AtGA3ox3和AtGA3ox4可誘導種子萌發(fā)，促進其營養(yǎng)生長［19，42］；南瓜中3個CmGA3oxs相關(guān)基因在種子的發(fā)育的不同階段發(fā)揮作用，CmGA3ox1和CmGA3ox2促進種子的萌發(fā)，CmGA3ox3則在種子生長過程中發(fā)揮作用［14］；梨中PtGA3ox1對果實發(fā)育所需激素GA1的合成是必不可少的，過量表達PtGA3ox1的植株中GA1的含量明顯增多從而影響果皮性狀；葡萄VvGA3oxs隨著其發(fā)育調(diào)控活性GA的含量滿足不同時期對激素的要求，與成花后相比，剛開放的花中活性GA1的含量高達50%左右，GA4則在結(jié)籽時明顯積累［43-44］。此外，通過外施GA生物合成抑制劑（PAC）證明VvGA3ox的表達與葡萄的坐果率有關(guān)［45］。

3 展望

有關(guān)赤霉素的合成過程目前已經(jīng)取得了較大進展，對參與其合成酶的研究主要集中在GA2ox和GA20ox［46］方面。GA2ox的過量表達會促使水稻提早分蘗，且能促進根的發(fā)育［27］。SPINDLY作為植物體內(nèi)GA抑制蛋白，能促進植物體內(nèi)細胞分裂素信號傳導，活性GA和細胞分裂素之間的相互作用主要是通過該蛋白引起的［30］。此外，有關(guān)GA在生產(chǎn)中的應用也取得了較大進展，如水稻中參與GA合成途徑中的關(guān)鍵酶GA20ox基因Sd1和小麥中參與信號傳導途徑上的負調(diào)控因子DELLA蛋白基因Rht1能提高糧食作物的抗倒伏能力，從而使得產(chǎn)量大幅度提高［47］。近年來，有關(guān)GA3ox的研究取得了良好的進展，以下方面仍具有較大的研究空間：

植物GA3ox一般由多基因編碼，植物體內(nèi)GA3oxs基因之間的相互作用需進一步研究；植物體內(nèi)活性GA的合成受到一系列相關(guān)酶的調(diào)控，有關(guān)GA3ox與GA合成中其他氧化酶間的相互作用機制尚需待深入研究；激素對基因表達調(diào)節(jié)具有雙重性，適量濃度的激素可促進GA3ox的表達，超過一定濃度則會產(chǎn)生相反作用，但激素調(diào)控植物體內(nèi)GA3ox表達的作用機制有待進一步闡述；GA的相關(guān)研究已經(jīng)在生產(chǎn)中得到應用，如利用矮稈基因提高作物產(chǎn)量，但GA3ox參與的植物性狀調(diào)控是一個復雜的網(wǎng)絡，其具體作用機制尚需深入研究來證實。

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