GA2-oxidase氧化酶基因的研究進展

郭姍姍

(東北林業大學生命科學學院，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育的許多過程，能夠促進種子的萌發、莖的伸長、葉的膨大、花的發育以及果實的成熟。目前已經發現有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節，如環境，植物發育，激素含量和內源酶的含量。研究發現,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，其可以使植物體內具有生物活性的GAs及其前體和其他中間產物分解失活，進而保持植物體內具有生物活性的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個結構域。根據碳原子的數目和結構分為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(GA20和GA9)轉化為沒有活性的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受到激素調節、信號通路和外界環境等因素影響，在植物發育中具有多樣性的功能。目前研究主要在基因克隆、轉錄水平和功能效應等方面，本文將探討GA2ox在植物生長發育中生物作用，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根起始，AtGA2ox6在成熟區表達，而在根分生組織或伸長區不表達，AtGA2ox7在幾乎所有的發育階段組成型表達，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；熒光定量結果發現，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生在花序、幼葉和小果中[3]。

1.2 環境響應

植物體還可通過調節GA2oxs基因的表達來響應外界環境的變化，如光照、溫度等。在擬南芥中，光敏色素A與光敏色素B調控發芽的條件，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，在黑暗環境下，AtGA2ox1表達水平增加，使擬南芥中的赤霉素含量變少，種子萌發受到抑制；在藍光條件下，隱花色素調節GA4的水平，誘導AtGA2ox1的表達；低溫條件下，DOG1的表達上調，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的表達被光上調并影響節間伸長，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，抑制莖的伸長。從這些研究表明，環境因素可以影響植物體內的赤霉素含量，而這個過程可能是由GA2ox基因調控的。

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。有研究發現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出現下調表達；對早熟禾施加5μmol·L-1赤霉素后，GA2ox基因上調表達，施加10μmol·L-1吲哚乙酸也出現了同樣的現象；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，而經過赤霉素抑制劑PCA處理后，這些基因下調表達；在水稻中，乙烯信號的轉錄因子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。茶樹(Camellia sinensis)的GA2ox基因在煙草中異源表達，轉基因煙草會出現植株矮小、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，同樣出現了植株矮化的現象[10]；PcGA2ox1的異位表達不同程度地降低了轉基因小麥的株高。

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基因后會出現提前開花的現象；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[11]；而在擬南芥中過表達油菜BnGA2ox6后，下胚軸和莖變短，種子萌發的時間變長，開花也出現延遲；而過表達BnGA2ox2的轉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，硅果變短和種子變小；麻瘋樹的JcGA2ox6在擬南芥或麻瘋樹中過表達，其轉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突變體中花蜜產量減少，而GA2ox6的過表達植株可以使花蜜產量顯著增加。

2.3 GA2ox對抗性的影響

一些研究發現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，增加了對鹽脅迫的抵抗力，并引起了形態變化[13]；在冷脅迫下，擬南芥中的AtGA2ox基因上調表達，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，Shi等認為StGA2ox1可以調節GA的合成，并進一步影響馬鈴薯的植物生長和脅迫響應[15]。這些結果表明，內源性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育和生理過程，赤霉素相關的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控機制，與環境和抗性的相互關系需要進一步的了解。GA2ox的一些相關研究也可以在生產中得到應用，GA2ox可以使植株變矮，增加作物的抗倒伏能力，可以通過分子技術手段去培育具有生長優勢的作物品種，對農業發展有重要的作用，但是GA2ox的具體調控網路尚不清晰，需要更深入的研究與探討。