赤霉素的生物合成和信号转导研究进展

熊书

摘要：赤霉素（Gibberellins，简称GAs）作为一种调节激素，在植物生长发育过程中有重要的作用。它参与调控植物发育和各种生理过程，包括茎的伸长、根的生长、叶片伸展、种子萌发、花和果实的发育以及表皮毛发育等。本文综述了近年来赤霉素生物合成和信号转导途径的研究进展。

关键词：赤霉素；生物合成；信号转导；发育；生理过程

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）16-0095-02

赤霉素（Gibberellins，简称GAs）作为一种调节激素，在植物生长发育过程中有重要的作用。赤霉素参与调控植物发育和各种生理过程，包括茎的伸长、根的生长、叶片伸展、种子萌发、花和果实的发育以及表皮毛发育等。

一、赤霉素的生物合成与代谢

近年来，人们获得了各种突变体，已经基本弄清楚了赤霉素的合成和代谢过程，除GA13羟化酶以外，研究人员克隆了所有编码赤霉素合成酶的基因。

在很多植物的花和营养组织中，GA含量非常低，同时，花和营养组织的GA合成酶也很少。但是，当种子发育的时候，GA合成速率较高，GA合成酶含量比较高。因此，对GA合成酶基因进行克隆和功能研究的时候，一般选用正在发育的种子作为材料。通过筛选突变体和表达文库，研究人员克隆了一系列的GA合成酶基因，包括内根—贝壳杉烯氧化酶（KO）、柯巴基二磷酸合成酶（CPS）、内根—贝壳杉烯合成酶（KS）、内根—贝壳杉烯酮酸氧化酶（KAO）等。催化拟南芥赤霉素早期生成的KO、CPS和KS酶各由一个基因编码合成，其酶的合成不受GA的反馈抑制。由两个基因表达生成KAO，这两个基因皆无组织特异性的表达。另外，催化赤霉素后期生成的双加氧酶（GA20ox、GA2ox和GA3ox），其编码基因通常由一个小的基因家族组成。拟南芥的GA20ox和GA3ox至少都有4个编码基因，而GA2ox的编码基因有6个。与植物中具有生物学活性的GAs类型一致，GA20—氧化酶对底物的专一性不强，与底物的亲和力跟C213位的羟基化有关。在西方刺瓜Marah macrocarpus、南瓜Cucurbitamoschata和拟南芥中，GA20—氧化酶对C213位非羟基化底物的亲和力低于羟基化的底物。因此，拟南芥茎中赤霉素的主要存在形式是C213位非羟基化的GA5。GA20—氧化酶既受光周期调控，又受反馈调节，属于调控严格的酶，如当菠菜Spinacia oleracea和拟南芥从短日照变为长日照时，体内GA20—氧化酶活性增强。

二、赤霉素生物合成与代谢的调节

赤霉素与植物的生长发育密切，所以，植物必须严格地调节体内的赤霉素合成，主要方式是控制赤霉素合成及分解相关的基因表达。总的来说，主要的控制点是后期阶段催化GA代谢的3个双加氧酶（GA20ox、GA2ox和GA3ox）。GA合成及反应的突变体和外源施加GA研究都表明，GA20ox和GA3ox是催化GA合成的最后两步，GA20ox和GA3ox的表达受GA的反馈抑制，而促使GA失活的GA2ox表达受GA的反馈激活。其他激素的存在也会影响GA合成酶的表达，外源油菜素内酯（BR）促进GA20ox的表达。与GA处理相同，低温处理同样能刺激植物的生殖生长和发育。Yamauchi等发现，4℃低温刺激可极大提高拟南芥发育种子的GA3ox含量。光照会影响植物的块根膨大、发芽和开花等生理过程。Reid等发现，蓝光和红光处理能快速下调黄化菜豆茎尖的GA3ox基因表达，以及上调GA2ox基因表达。另外，光照强度也会影响植物器官对赤霉素的反应。研究已证实，通过光敏色素（Phytochome），光参与赤霉素的生成及代谢调节。

三、赤霉素的信号传导

总体上，GA信号传导可分为上游识别赤霉素、中游信号转导和下游赤霉素反应基因。近年通过研究GA信号转导过程，取得了很大的进展，找到了很多GA信号转导过程的成分，基本上弄清楚了赤霉素合成的调控机理。利用寻找突变体，研究人员从大麦、水稻和花生等作物中找到了多个GA信号转导基因。利用作物糊粉层表达系统工具和突变分析找到了某些组分的功能及相互之间的联系。由不同的表型，可将赤霉素信号转导突变体分为正调控和负调控突变体。正调控成分突变体一般呈现出叶色浓绿、矮化等GA缺乏的表型，而负调控的突变体则呈现出叶色变淡、植株变高等GA过量的表型。两种突变体皆表现为对GA敏感性降低或不敏感。

利用GFP融合基因和原位杂交技术，发现DELLA蛋白定位于细胞核，GA的诱导可将其降解。该蛋白对GA诱导的反应非常敏感，其蛋白含量在GA处理后显著减少。这表明对DELLA蛋白的调控是通过翻译后加工进行而不是由转录调控的，同时结果也显示，DELLA蛋白作为早期赤霉素反应基因的调节蛋白，其蛋白含量调控赤霉素反应基因的水平。从SLY1和GID2等F-box蛋白调控DELLA蛋白的分解过程，表明在赤霉素基因信号转导途径中，Ubiquitin参与的蛋白酶体途径发挥了重要的功能。

当无赤霉素信号时，早期赤霉素反应基因的翻译被DELLA蛋白所抑制。当有赤霉素信号时，DELLA蛋白首先被磷酸化，接着F-box蛋白鉴别出DELLA蛋白并连接到酶复合体上，磷酸化的DELLA蛋白与Ubiqutin蛋白结合，最终被26S蛋白酶复合体鉴别并分解。GA早期反应基因因DELLA蛋白的降解而解除抑制，表现为GA促进植株的生长和发育。除了F-box蛋白和DELLA蛋白，目前的研究表明，多种组分参与了GA信号传导，其中对PHOR1、D1、PKL、SPY、SHI等的研究较深入。综合来说，除F-box蛋白和DELLA蛋白外，人们较少研究其他赤霉素信号转导成分，成分之间的相互关系缺少有效的依据，难以明确GA信号转导过程中各个成分之间的关系。对GA反应的各个组分间的相互作用进行深入研究，将各个组分整合成一个完整的网络，将是未来GA信号传导研究的一个热点。endprint

四、赤霉素的反应基因

通过GA反应基因的表达，GA调节植物的生长发育，最终实现各种生理机能。有别于GA信号转导成分，定义赤霉素反应基因为识别赤霉素信号并改变其表达能力的基因。依据表达接受的时间，赤霉素反应基因分为两种：早期和晚期。GA信号传导中转录因子组分直接调控早期反应基因的表达，早期反应基因表达的产物也许是转录因子，可控制晚期反应基因的翻译。研究发现，GAMYB作为一种转录因子，受赤霉素调节，可促进大麦糊粉层a-淀粉酶的生成，外源GA处理后，在大麦糊粉层中发现GAMYB蛋白含量上升。Woodger等利用酵母双杂交系统寻找到激酶KGM（kinase-associated with GAMYB），可与GAMYB互作。KGM作为蛋白激酶的一种，在大麦糊粉层中可减少GAMYB的作用。目前不能明确的是，在体内KGM能否使GAMYB磷酸化，其详细作用还需深入研究。

GLABROUSI（GLI）作为拟南芥的一个MYB基因，在表皮毛的开始和分化形成中起着关键作用。GA水平影响拟南芥的表皮毛。在GA缺乏的gal-3中，叶子不着生表皮毛，而外源施加GA，表皮毛的数目又回复。在拟南芥中，赤霉素同样诱导LFY花芽决定基因的翻译，由LFY启动子的GOF9元件完成其赤霉素响应。Gocal等的研究表明，3个拟南芥MYB基因可替换大麦糊粉层中GAMYB蛋白的功能。其中GA可诱导AtMYB33基因在成花过程中表达。研究进一步证实，GOF9元件能与AtMYB33结合。研究结果显示，GA可诱导AtMYB33的生成，GOF9元件与AtMYB33整合引起LFY蛋白的生成，最终是花芽生成的关键。除此之外，利用基因芯片、Ogawa等测定了拟南芥gal-3突变体种子萌发中的GA反应基因，在8200个基因中，确定了127个GA下调基因和230个上调基因。在GA响应早期，GA上调基因明显超过下调基因数目。

通过对赤霉素的分子生物学研究，我们已深入理解了植物赤霉素生物合成的过程，同时利用GA合成与代谢相关的基因控制植物体内的GA水平。通过控制GA合成和代谢基因，可得到具有不同内源GA水平的转基因植物，这不仅为阐明GA的反应基因及GA诱导生理反应的分子机制奠定了材料基础，也为植物育种提供了新的材料和方法。

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