GA2-oxidase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)

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(2OG-FeII_Oxy)超家族，通过不同的基因家族独立编码，包含DIOX_N(PF14226)和2OG-FeII_Oxy(PF03171)2个结构域。根据碳原子的数目和结构分为C19-GA2oxs和C20-GA2oxs，C19-GA2oxs通过2-β羟基化反应将有生物活性的C19-GAs(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；C20-GA2oxs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 sativa)、拟南芥(Arabidopsis thaliana)、毛果杨(Populus 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。

1 GA2-oxidase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，AtGA2ox3在花序的早期胚囊和合子胚乳中表达，AtGA2ox4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)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；PqGA2oxs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(Panicum virgatum)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 pumila Mill)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AtGA2ox1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AtGA2ox2基因的表达，显著增加了GA的含量[4]；OsGA2ox4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5μmol·L-1赤霉素后，GA2ox基因上调表达，施加10μmol·L-1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SlGA2ox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、OsGA2ox2、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]。

2 GA2-oxidase氧化酶基因的功能

2.1 GA2ox对株高的影响

赤霉素与茎的伸长密切相关。茶树(Camellia sinensis)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 regia)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 notatum Flugge)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。

2.2 GA2ox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ClGA2ox1-3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JcGA2ox6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。

2.3 GA2ox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DRE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长优势的作物品种，对农业发展有重要的作用，但是GA2ox的具体调控网路尚不清晰，需要更深入的研究与探讨。