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摘要：赤霉素（Gibberellins，簡稱GAs）作為一種調(diào)節(jié)激素，在植物生長發(fā)育過程中有重要的作用。它參與調(diào)控植物發(fā)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(fā)、花和果實的發(fā)育以及表皮毛發(fā)育等。本文綜述了近年來赤霉素生物合成和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：赤霉素；生物合成；信號轉(zhuǎn)導(dǎo)；發(fā)育；生理過程

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)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(diào)節(jié)激素，在植物生長發(fā)育過程中有重要的作用。赤霉素參與調(diào)控植物發(fā)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(fā)、花和果實的發(fā)育以及表皮毛發(fā)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(jīng)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(yǎng)組織中，GA含量非常低，同時，花和營養(yǎng)組織的GA合成酶也很少。但是，當(dāng)種子發(fā)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(jìn)行克隆和功能研究的時候，一般選用正在發(fā)育的種子作為材料。通過篩選突變體和表達(dá)文庫，研究人員克隆了一系列的GA合成酶基因，包括內(nèi)根—貝殼杉烯氧化酶（KO）、柯巴基二磷酸合成酶（CPS）、內(nèi)根—貝殼杉烯合成酶（KS）、內(nèi)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(dá)生成KAO，這兩個基因皆無組織特異性的表達(dá)。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(xué)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(guān)。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(diào)控，又受反饋調(diào)節(jié)，屬于調(diào)控嚴(yán)格的酶，如當(dāng)菠菜Spinacia oleracea和擬南芥從短日照變?yōu)殚L日照時，體內(nèi)GA20—氧化酶活性增強。

二、赤霉素生物合成與代謝的調(diào)節(jié)

赤霉素與植物的生長發(fā)育密切，所以，植物必須嚴(yán)格地調(diào)節(jié)體內(nèi)的赤霉素合成，主要方式是控制赤霉素合成及分解相關(guān)的基因表達(dá)。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(yīng)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(dá)受GA的反饋抑制，而促使GA失活的GA2ox表達(dá)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(dá)，外源油菜素內(nèi)酯（BR）促進(jìn)GA20ox的表達(dá)。與GA處理相同，低溫處理同樣能刺激植物的生殖生長和發(fā)育。Yamauchi等發(fā)現(xiàn)，4℃低溫刺激可極大提高擬南芥發(fā)育種子的GA3ox含量。光照會影響植物的塊根膨大、發(fā)芽和開花等生理過程。Reid等發(fā)現(xiàn)，藍(lán)光和紅光處理能快速下調(diào)黃化菜豆莖尖的GA3ox基因表達(dá)，以及上調(diào)GA2ox基因表達(dá)。另外，光照強度也會影響植物器官對赤霉素的反應(yīng)。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(diào)節(jié)。

三、赤霉素的信號傳導(dǎo)

總體上，GA信號傳導(dǎo)可分為上游識別赤霉素、中游信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和下游赤霉素反應(yīng)基因。近年通過研究GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，取得了很大的進(jìn)展，找到了很多GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的成分，基本上弄清楚了赤霉素合成的調(diào)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(zhuǎn)導(dǎo)基因。利用作物糊粉層表達(dá)系統(tǒng)工具和突變分析找到了某些組分的功能及相互之間的聯(lián)系。由不同的表型，可將赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體分為正調(diào)控和負(fù)調(diào)控突變體。正調(diào)控成分突變體一般呈現(xiàn)出葉色濃綠、矮化等GA缺乏的表型，而負(fù)調(diào)控的突變體則呈現(xiàn)出葉色變淡、植株變高等GA過量的表型。兩種突變體皆表現(xiàn)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(shù)，發(fā)現(xiàn)DELLA蛋白定位于細(xì)胞核，GA的誘導(dǎo)可將其降解。該蛋白對GA誘導(dǎo)的反應(yīng)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(diào)控是通過翻譯后加工進(jìn)行而不是由轉(zhuǎn)錄調(diào)控的，同時結(jié)果也顯示，DELLA蛋白作為早期赤霉素反應(yīng)基因的調(diào)節(jié)蛋白，其蛋白含量調(diào)控赤霉素反應(yīng)基因的水平。從SLY1和GID2等F-box蛋白調(diào)控DELLA蛋白的分解過程，表明在赤霉素基因信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中，Ubiquitin參與的蛋白酶體途徑發(fā)揮了重要的功能。

當(dāng)無赤霉素信號時，早期赤霉素反應(yīng)基因的翻譯被DELLA蛋白所抑制。當(dāng)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(fù)合體上，磷酸化的DELLA蛋白與Ubiqutin蛋白結(jié)合，最終被26S蛋白酶復(fù)合體鑒別并分解。GA早期反應(yīng)基因因DELLA蛋白的降解而解除抑制，表現(xiàn)為GA促進(jìn)植株的生長和發(fā)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(dǎo)，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(zhuǎn)導(dǎo)成分，成分之間的相互關(guān)系缺少有效的依據(jù)，難以明確GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中各個成分之間的關(guān)系。對GA反應(yīng)的各個組分間的相互作用進(jìn)行深入研究，將各個組分整合成一個完整的網(wǎng)絡(luò)，將是未來GA信號傳導(dǎo)研究的一個熱點。endprint

四、赤霉素的反應(yīng)基因

通過GA反應(yīng)基因的表達(dá)，GA調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，最終實現(xiàn)各種生理機能。有別于GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)成分，定義赤霉素反應(yīng)基因為識別赤霉素信號并改變其表達(dá)能力的基因。依據(jù)表達(dá)接受的時間，赤霉素反應(yīng)基因分為兩種：早期和晚期。GA信號傳導(dǎo)中轉(zhuǎn)錄因子組分直接調(diào)控早期反應(yīng)基因的表達(dá)，早期反應(yīng)基因表達(dá)的產(chǎn)物也許是轉(zhuǎn)錄因子，可控制晚期反應(yīng)基因的翻譯。研究發(fā)現(xiàn)，GAMYB作為一種轉(zhuǎn)錄因子，受赤霉素調(diào)節(jié)，可促進(jìn)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(fā)現(xiàn)GAMYB蛋白含量上升。Woodger等利用酵母雙雜交系統(tǒng)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(nèi)KGM能否使GAMYB磷酸化，其詳細(xì)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(guān)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(shù)目又回復(fù)。在擬南芥中，赤霉素同樣誘導(dǎo)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(yīng)。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(dǎo)AtMYB33基因在成花過程中表達(dá)。研究進(jìn)一步證實，GOF9元件能與AtMYB33結(jié)合。研究結(jié)果顯示，GA可誘導(dǎo)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(guān)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(fā)中的GA反應(yīng)基因，在8200個基因中，確定了127個GA下調(diào)基因和230個上調(diào)基因。在GA響應(yīng)早期，GA上調(diào)基因明顯超過下調(diào)基因數(shù)目。

通過對赤霉素的分子生物學(xué)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(guān)的基因控制植物體內(nèi)的GA水平。通過控制GA合成和代謝基因，可得到具有不同內(nèi)源GA水平的轉(zhuǎn)基因植物，這不僅為闡明GA的反應(yīng)基因及GA誘導(dǎo)生理反應(yīng)的分子機制奠定了材料基礎(chǔ)，也為植物育種提供了新的材料和方法。

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