赤霉素的生物合成和信號轉導研究進展

熊書

摘要：赤霉素（Gibberellins，簡稱GAs）作為一種調節激素，在植物生長發育過程中有重要的作用。它參與調控植物發育和各種生理過程，包括莖的伸長、根的生長、葉片伸展、種子萌發、花和果實的發育以及表皮毛發育等。本文綜述了近年來赤霉素生物合成和信號轉導途徑的研究進展。

關鍵詞：赤霉素；生物合成；信號轉導；發育；生理過程

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）16-0095-02

赤霉素（Gibberellins，簡稱GAs）作為一種調節激素，在植物生長發育過程中有重要的作用。赤霉素參與調控植物發育和各種生理過程，包括莖的伸長、根的生長、葉片伸展、種子萌發、花和果實的發育以及表皮毛發育等。

一、赤霉素的生物合成與代謝

近年來，人們獲得了各種突變體，已經基本弄清楚了赤霉素的合成和代謝過程，除GA13羥化酶以外，研究人員克隆了所有編碼赤霉素合成酶的基因。

在很多植物的花和營養組織中，GA含量非常低，同時，花和營養組織的GA合成酶也很少。但是，當種子發育的時候，GA合成速率較高，GA合成酶含量比較高。因此，對GA合成酶基因進行克隆和功能研究的時候，一般選用正在發育的種子作為材料。通過篩選突變體和表達文庫，研究人員克隆了一系列的GA合成酶基因，包括內根—貝殼杉烯氧化酶（KO）、柯巴基二磷酸合成酶（CPS）、內根—貝殼杉烯合成酶（KS）、內根—貝殼杉烯酮酸氧化酶（KAO）等。催化擬南芥赤霉素早期生成的KO、CPS和KS酶各由一個基因編碼合成，其酶的合成不受GA的反饋抑制。由兩個基因表達生成KAO，這兩個基因皆無組織特異性的表達。另外，催化赤霉素后期生成的雙加氧酶（GA20ox、GA2ox和GA3ox），其編碼基因通常由一個小的基因家族組成。擬南芥的GA20ox和GA3ox至少都有4個編碼基因，而GA2ox的編碼基因有6個。與植物中具有生物學活性的GAs類型一致，GA20—氧化酶對底物的專一性不強，與底物的親和力跟C213位的羥基化有關。在西方刺瓜Marah macrocarpus、南瓜Cucurbitamoschata和擬南芥中，GA20—氧化酶對C213位非羥基化底物的親和力低于羥基化的底物。因此，擬南芥莖中赤霉素的主要存在形式是C213位非羥基化的GA5。GA20—氧化酶既受光周期調控，又受反饋調節，屬于調控嚴格的酶，如當菠菜Spinacia oleracea和擬南芥從短日照變為長日照時，體內GA20—氧化酶活性增強。

二、赤霉素生物合成與代謝的調節

赤霉素與植物的生長發育密切，所以，植物必須嚴格地調節體內的赤霉素合成，主要方式是控制赤霉素合成及分解相關的基因表達。總的來說，主要的控制點是后期階段催化GA代謝的3個雙加氧酶（GA20ox、GA2ox和GA3ox）。GA合成及反應的突變體和外源施加GA研究都表明，GA20ox和GA3ox是催化GA合成的最后兩步，GA20ox和GA3ox的表達受GA的反饋抑制，而促使GA失活的GA2ox表達受GA的反饋激活。其他激素的存在也會影響GA合成酶的表達，外源油菜素內酯（BR）促進GA20ox的表達。與GA處理相同，低溫處理同樣能刺激植物的生殖生長和發育。Yamauchi等發現，4℃低溫刺激可極大提高擬南芥發育種子的GA3ox含量。光照會影響植物的塊根膨大、發芽和開花等生理過程。Reid等發現，藍光和紅光處理能快速下調黃化菜豆莖尖的GA3ox基因表達，以及上調GA2ox基因表達。另外，光照強度也會影響植物器官對赤霉素的反應。研究已證實，通過光敏色素（Phytochome），光參與赤霉素的生成及代謝調節。

三、赤霉素的信號傳導

總體上，GA信號傳導可分為上游識別赤霉素、中游信號轉導和下游赤霉素反應基因。近年通過研究GA信號轉導過程，取得了很大的進展，找到了很多GA信號轉導過程的成分，基本上弄清楚了赤霉素合成的調控機理。利用尋找突變體，研究人員從大麥、水稻和花生等作物中找到了多個GA信號轉導基因。利用作物糊粉層表達系統工具和突變分析找到了某些組分的功能及相互之間的聯系。由不同的表型，可將赤霉素信號轉導突變體分為正調控和負調控突變體。正調控成分突變體一般呈現出葉色濃綠、矮化等GA缺乏的表型，而負調控的突變體則呈現出葉色變淡、植株變高等GA過量的表型。兩種突變體皆表現為對GA敏感性降低或不敏感。

利用GFP融合基因和原位雜交技術，發現DELLA蛋白定位于細胞核，GA的誘導可將其降解。該蛋白對GA誘導的反應非常敏感，其蛋白含量在GA處理后顯著減少。這表明對DELLA蛋白的調控是通過翻譯后加工進行而不是由轉錄調控的，同時結果也顯示，DELLA蛋白作為早期赤霉素反應基因的調節蛋白，其蛋白含量調控赤霉素反應基因的水平。從SLY1和GID2等F-box蛋白調控DELLA蛋白的分解過程，表明在赤霉素基因信號轉導途徑中，Ubiquitin參與的蛋白酶體途徑發揮了重要的功能。

當無赤霉素信號時，早期赤霉素反應基因的翻譯被DELLA蛋白所抑制。當有赤霉素信號時，DELLA蛋白首先被磷酸化，接著F-box蛋白鑒別出DELLA蛋白并連接到酶復合體上，磷酸化的DELLA蛋白與Ubiqutin蛋白結合，最終被26S蛋白酶復合體鑒別并分解。GA早期反應基因因DELLA蛋白的降解而解除抑制，表現為GA促進植株的生長和發育。除了F-box蛋白和DELLA蛋白，目前的研究表明，多種組分參與了GA信號傳導，其中對PHOR1、D1、PKL、SPY、SHI等的研究較深入。綜合來說，除F-box蛋白和DELLA蛋白外，人們較少研究其他赤霉素信號轉導成分，成分之間的相互關系缺少有效的依據，難以明確GA信號轉導過程中各個成分之間的關系。對GA反應的各個組分間的相互作用進行深入研究，將各個組分整合成一個完整的網絡，將是未來GA信號傳導研究的一個熱點。endprint

四、赤霉素的反應基因

通過GA反應基因的表達，GA調節植物的生長發育，最終實現各種生理機能。有別于GA信號轉導成分，定義赤霉素反應基因為識別赤霉素信號并改變其表達能力的基因。依據表達接受的時間，赤霉素反應基因分為兩種：早期和晚期。GA信號傳導中轉錄因子組分直接調控早期反應基因的表達，早期反應基因表達的產物也許是轉錄因子，可控制晚期反應基因的翻譯。研究發現，GAMYB作為一種轉錄因子，受赤霉素調節，可促進大麥糊粉層a-淀粉酶的生成，外源GA處理后，在大麥糊粉層中發現GAMYB蛋白含量上升。Woodger等利用酵母雙雜交系統尋找到激酶KGM（kinase-associated with GAMYB），可與GAMYB互作。KGM作為蛋白激酶的一種，在大麥糊粉層中可減少GAMYB的作用。目前不能明確的是，在體內KGM能否使GAMYB磷酸化，其詳細作用還需深入研究。

GLABROUSI（GLI）作為擬南芥的一個MYB基因，在表皮毛的開始和分化形成中起著關鍵作用。GA水平影響擬南芥的表皮毛。在GA缺乏的gal-3中，葉子不著生表皮毛，而外源施加GA，表皮毛的數目又回復。在擬南芥中，赤霉素同樣誘導LFY花芽決定基因的翻譯，由LFY啟動子的GOF9元件完成其赤霉素響應。Gocal等的研究表明，3個擬南芥MYB基因可替換大麥糊粉層中GAMYB蛋白的功能。其中GA可誘導AtMYB33基因在成花過程中表達。研究進一步證實，GOF9元件能與AtMYB33結合。研究結果顯示，GA可誘導AtMYB33的生成，GOF9元件與AtMYB33整合引起LFY蛋白的生成，最終是花芽生成的關鍵。除此之外，利用基因芯片、Ogawa等測定了擬南芥gal-3突變體種子萌發中的GA反應基因，在8200個基因中，確定了127個GA下調基因和230個上調基因。在GA響應早期，GA上調基因明顯超過下調基因數目。

通過對赤霉素的分子生物學研究，我們已深入理解了植物赤霉素生物合成的過程，同時利用GA合成與代謝相關的基因控制植物體內的GA水平。通過控制GA合成和代謝基因，可得到具有不同內源GA水平的轉基因植物，這不僅為闡明GA的反應基因及GA誘導生理反應的分子機制奠定了材料基礎，也為植物育種提供了新的材料和方法。

參考文獻：

[1]Yaxley J R，Ross J J，Sherriff L J，et al. Gibberellin biosynthesis mutations and root development in pea[J]. Plant Physiol，2001，125（2）：627-633.

[2]Olszewski N，Sun T，Gubler F. Gibberenllin signaling：Biosynthesis，catabolism，and response pathways[J]. Plant Cell，2002，14 suppl：61-80.

[3]Yamaguchi S，Saito T，Abe H，et al. Molecular cloning and characterization of a cDNA encoding the gibberellin biosynthetic enzyme ent-kaurene synthase B from pumpkin（Cucurbita maxima L）[J]. Plant J，1996，10（2）：203-213.

[4]Helliwell C A. Cloning of the Arabidopsis ent-kaurene oxidase gene GA3[J]. Proc Natl Acad Sci USA，1998，95（15）：9019-9024.

[5]Helliwell C A，Chandler P M，Poole A，et al. The CYP88A cytochrome P450，entkaurenoic acid oxidase，catalyzes three steps of the gibberellins biosynthesis pathway[J].Proc Natl Acad Sci U S A，2001，98（4）：2065-2070.

[6]Hedden P，Phillips AL. Gibberellin metabolism：New insights revealed by the genes[J].Trends Plant Sci，2000，5（12）：523-530.

[7]Phillips A L，Ward D A，Uknes S，et al. Isolation and expression of three gibberellin 20-oxidase cDNA clones from Arabidopsis[J]. Plant Physiol，1995，108（3）：1049-1057.

[8]Wu K，Li L，Gage D A，et al. Molecular cloning and photoperiod-regulated expression of gibberellin 20-oxidase from the long-day plant spinach[J].Plant Physiol，1996，110（2）：547-554.endprint