赤霉素调控林木生长发育的研究进展

石 鹏，王 永，张大鹏

(中国热带农业科学院 椰子研究所/国家热带棕榈种质资源圃/农业农村部 热带油料科学观测实验站/海南省热带油料作物生物学重点实验室，海南 文昌 571339)

赤霉素作为6个重要植物激素之一，在调控林木生长发育中发挥了重要作用[1]。赤霉素广泛参与林木种子萌发、茎和根的伸长、叶片次生代谢物合成、开花、果实发育等生命活动，外施赤霉素能调控林木生长发育，达到提高产量和改善品质等目标[2]。目前，林木研究者已经针对赤霉素在林木生长发育中的作用和机制开展了一些研究，但赤霉素调控林木生长发育的机制还不清楚。本文针对赤霉素代谢和生理功能、调控林木生长发育及其机制进行了综述，希望对赤霉素调控林木生长发育研究有所启发和借鉴。

1 植物赤霉素代谢和功能

在目前发现的超过130种赤霉素类物质中，有生物活性的主要是GA1、GA3、GA4和GA7[1]。赤霉素主要在植物茎尖、根尖、花、果实和胚等器官或组织中合成，赤霉素合成的前体物质是牻牛儿基焦磷酸(GGDP，geranylgeranyl diphosphate)，经过古巴焦磷酸合成酶(CPS，ent-copalyl diphosphate synthase)、内根-贝壳杉烯合成酶(KS，ent-kaurene synthase)、内根-贝壳杉烯氧化酶(KO，ent-kaurene oxidase)、内根-贝壳杉烯酸氧化酶(KAO，ent-kaurenoic acid oxidase)作用形成GA12，GA12是赤霉素生物合成的重要中间产物。以GA12为基础，在GA2氧化酶[GA2ox，GA 2-oxidase(Class I and II))]、GA2氧化酶[GA2ox，GA 2-oxidase(Class III))]、GA3氧化酶[GA3ox，GA 3-oxidase)]、GA13氧化酶(GA13ox，GA 13-oxidase)和GA20氧化酶(GA20ox，GA 20-oxidase)作用下生成其他种类赤霉素。赤霉素失活主要通过GA2ox、CYP714D1(细胞色素P450单加氧酶，cytochrome P450 monooxygenase)、赤霉素甲基转移酶(GAMT，gibberellin methyltransferases)基因进行[1]。赤霉素在植物生长发育中发挥重要作用，主要包括促进细胞分裂和伸长等，另外其通过长距离和短距离运输来调控植物生长发育的方方面面[3]，如调控分生组织的分化、茎和根的伸长、种子发育和萌发、开花、果实发育等。

2 赤霉素调控林木生长发育及其机制

2.1 种子萌发

林木种子发芽时，不同种类赤霉素浓度升降互现，可能是不同种类赤霉素在种子萌发中的作用不同。Chen等[4]发现杨梅种皮、内果皮和新发芽种子的胚中内源GA1、GA3、GA7和GA20含量低，而GA4含量较高，其中GA1和GA4与杨梅种子萌发密切相关。Chen等[5]发现正在发芽的黄柏种子比新鲜种子有更高浓度的GA3、GA4和GA7，并且外源赤霉素可以促进种子萌发。

适当浓度的赤霉素和超表达赤霉素相关基因可以促进林木种子萌发，说明赤霉素调控种子萌发。张檀等[6]发现150～350 mg/L赤霉素浸种可以加快长柄扁桃种子发芽速度。张晓曼等[7]用赤霉素处理四季报春后，其发芽整齐，但没有显著影响种子萌发率。周玮等[8]用500 mg/L赤霉素浸泡杜仲种子24 h，可以促进种子萌发。陈昕等[9]用100～600 mg/L的GA3溶液浸种12和24 h后置于0～5 ℃可以打破黄山花楸种子休眠。李淑娴等[10]发现用500或1000 mg/L赤霉素处理再层积100 d可有效打破乌桕种子休眠。杨秀莲等[11]用赤霉素处理紫柄籽银桂种子，发现萌发过程中赤霉素含量逐渐增加，说明赤霉素促进种子萌发。鲁春艳等[12]发现GA3处理长柄扁桃种子后，萌发率、发芽指数提高，幼苗根系和茎生长呈细长型。杜荻等[13]用赤霉素溶液浸泡板栗种子后发芽，发现赤霉素对板栗芽苗胚轴的增粗效果最明显。蔡春菊等[14]发现用500 mg/L的GA3在25 ℃浸种12 h，可以提高老化毛竹种子的活力水平，促进种子萌发。周帅等[15]发现6000 mg/L的GA3显著抑制南极假山毛榉种子萌发。Song等[16]分析了GA3促进湖北梣种子萌发的机制，发现GA3处理后糖酵解途径相关基因表达量上调，促进糖氧化分解释放能量用于发芽。张运城[17]分离鉴定了油松GID1(Gibberellin Insensitive Dwarf1)基因，发现该基因为组成型表达，转拟南芥发现PtGID1基因使抽薹开花时间提前，株高增加，低浓度GA3条件下转基因拟南芥种子能够萌发，说明PtGID1增强了对GA3的感受能力[18]。植物体内激素都参与调控种子萌发，其中脱落酸/赤霉素比例是关键因素[19]。因此，在研究林木种子萌发机制时，应同时关注脱落酸和赤霉素。

2.2 茎和根的伸长

赤霉素可以提高茎顶端分生组织活性。Little等[20]发现在樟子松和云杉中，赤霉素促进新生阶段和营养芽发育阶段顶端分生组织活性，通过GA9的早期非羟基化是主要的赤霉素合成途径。Macdonald等[21]发现外源GA3提高了松树茎顶端区域有丝分裂活性，增加了芽苞叶形成比例和持续时间，从而形成更高和更宽的顶端分生组织。赤霉素调控茎顶端分生组织活性的机制还不清楚，可能与茎顶端分生组织中干细胞维持基因存在某种联系[22]。

赤霉素可促进茎和根的伸长。Wang等[23]发现赤霉素GA1、GA3、GA4、GA9主要存在于松树针叶束中，并且直接控制茎的伸长。Rood等[24]发现赤霉素通过调节毛果杨根的伸长来适应地下水位下降。崔凯[25]分析了毛竹茎秆GA3含量，发现高浓度GA3于发育早期在顶部节间积累，中期在基部积累，末期在顶部节间积累。田佳星[26]用赤霉素处理毛白杨28 d后，可以显著提高树高、地茎、总纤维素含量和纤维长，降低木质素含量，显著影响毛白杨木材品质性状。周帅等[15]发现GA3可以促进南极假山毛榉幼苗茎的伸长。江雪等[27]发现对毛竹实生苗叶片喷施20～60 mg/L的GA3后，新分蘖竹株秆高、节间长和叶片数量均有极显著增加，新分蘖的竹株纤维细胞长度增加。栾启福等[28]用松类基因索引数据中与赤霉素代谢相关序列设计EST-SSR引物，发现检测到的条带与苗高有显著相关性。赤霉素促进茎和根伸长的机制还不明确，可进一步开展遗传学和细胞生物学研究阐明其作用机制。

赤霉素合成及相关基因参与调控茎和根的伸长，另外可与光信号互作共同调控茎的伸长。张力杰等[29]克隆出小黑杨GA20ox基因，发现其在小黑杨各组织中均表达，在成熟木质部中表达量最高，在节间组织中表达量最低，转烟草实验表明过表达该基因可提高烟草生长速度、株高、纤维素含量和纤维长度。Lu等[30]在杨树中转入赤霉素合成基因GA20ox，发现其可以提高茎体积、茎和根生物量。魏强等[31]对矢竹不同发育阶段地下茎进行转录组测序分析，发现赤霉素合成及信号传导相关基因在节间伸长起始阶段的表达量较高，说明矢竹地下茎生长发育受到赤霉素的调控。魏强等[32]比较了平安竹和矢竹赤霉素及相关基因表达量，发现赤霉素信号途径在平安竹节间生长起始阶段受到抑制，赤霉素含量也低于矢竹，赤霉素信号途径受抑制是导致平安竹纤维细胞生长异常的原因之一。Ju等[33]用外源GA4处理紫薇，发现GA4可以促进节间伸长，减少节间数量。Liu等[34]用0.1 mg/L的GA3和多效唑(赤霉素抑制剂)处理巨桉，发现GA3显著增大了茎和根长度，减小了茎和根的直径，同时促进了茎和根木质部的发育，影响了赤霉素合成途径相关基因的表达水平。Yue等[35]发现毛果杨TDIF(tracheary element differentiation inhibitory factor)基因通过上调GA2ox和GA20ox基因表达降低内源赤霉素水平，从而抑制节间伸长。Li等[36]发现KAO(ent-kaurenoic acid oxidase)基因表达被近红光/远红光激活，说明赤霉素信号参与了近红光/远红光诱导油松幼苗茎伸长过程，并且与其他激素发生相互作用。赤霉素相关基因可与光信号互作[37]，说明赤霉素调控茎伸长还依赖于外界环境，其机制可能比较复杂。

赤霉素合成和调控基因的表达受到外源赤霉素调节。赵腾等[38]从欧美杂种黑杨R270中克隆到PdGASA4基因，转拟南芥后能促进抽薹，叶片伸长，茎增高和加粗。叶家其等[39]从毛竹(Phyllostachysedulis)鉴定出8个GA20ox、1个GA3ox、8个GA2ox、2个GID1、2个GID2和2个DELLA赤霉素相关基因，发现赤霉素能显著提高种子萌发率和幼苗茎秆伸长；经外源GA3处理后，毛竹体内GA20ox和GA3ox表达量下调，GA2ox表达量上调，GID1和GID2表达量上调，DELLA表达受抑制，GA20ox、GA3ox、GA2ox、GID1和GID2在竹笋形态学上端大量表达，而DELLA在下端大量表达。不同赤霉素相关基因的时空表达特性存在差异，可能是因为不同基因位于赤霉素信号途径不同位置，在林木组织内部发挥的功能不同。

2.3 开花

赤霉素途径是促进植物开花的主要途径之一[40]，其与开花相关基因互作调控植物开花，如拟南芥中编码成花素的候选基因FT(FLOWERING LOCUS T)[41]，然而目前还未见林木中关于赤霉素与FT基因互作调控开花的报道。赤霉素在林木开花中也发挥重要作用，然而不同林木，不同赤霉素种类或浓度，其调控开花的效果不同。Tompsett等[42]用赤霉素混合物处理云杉，发现赤霉素可以提高球果和种子产量。Ross等[43]发现GA4/7比GA3更能促进辐射松(Pinusradiata)开花。Bodson[44]在常绿杜鹃不同发育阶段用GA4+7处理，发现处理营养芽刺激了茎的伸长，推迟了开花和花发育，但是增加了花原基数量；在成花转变早期阶段处理可导致芽败育，处理至少有1个完整花的花序会防止花序芽败育。Longman等[45]在10年生云杉上注射20 mg赤霉素GA4/7，增加了雌球花数量和种子产量。Pharis等[46]认为GA4/7在促进松科针叶树(Pinaceae)开花中起到直接的形态发生作用，且与营养物质转运、花芽原基和有丝分裂活性无关。Ross等[47]用赤霉素GA4/7处理道格拉斯冷杉，发现赤霉素可以增加种子球果的数量。Ho等[48]发现赤霉素GA4/7能促进东部白松雄球花和球果产量。Karl等[49]研究了赤霉素GA4/7对云杉开花和球果的影响，发现其可以促进雌花开花。Eysteinsson等[50]在落叶松中发现赤霉素快速代谢，并且在茎伸长之前外施GA4/7会导致长茎开花。Gaétan等[51]研究了外源赤霉素GA4/7对云杉种子和雄球花的影响，发现GA4/7可以提高球果和雄球花产量，并且树龄越大，树越高，对GA4/7的响应越小。Ho等[52]对4年生和9年生东部白松喷施或注射赤霉素，发现可以显著增加雄球果数量。Smith等[53]用赤霉素GA4/7处理8～9年生黑云杉，发现赤霉素可以促进生殖芽的发生。李丽霞等[54]发现喷施80 mg/L外源GA3溶液可促进萌芽。王庆成等[55]在杨树花芽分化前期向树干注射GA3，可以抑制翌年开花。Pijut[56]用500 mg/L赤霉素GA4/7喷施东部白松叶片，可以诱导产生更多的雌雄球果。Almqvist[57]用外源GA4/7处理松树可以促进雌花开花，但对雄花没有作用。兰阿峰等[58]发现在金银花花芽分化前喷施100～1000 mg/kg赤霉素，始花期和盛花期均提前，单株产量提高，花中绿原酸含量提高。Kong等[59]发现40或400 mg赤霉素增强花旗松雌球花形成，400 mg赤霉素增强雄球花形成。王港等[60]发现给麻疯树树干注射100 mg/kg的GA3有助于提高雌花数量。Pharis等[61]用GA4/7注射到白云杉枝条中，使得开花数量增加5倍。王洪梅等[62]总结了影响赤霉素促进针叶树开花的因素，包括处理时间、处理方法、结合栽培措施及处理频率。胡盼等[63]发现青海云杉在花芽生理分化期和形态分化期赤霉素含量出现高峰，对茎秆注射GA4/7影响细胞分裂素含量，没有达到显著的促花效果。温玥等[64]发现100 mg/L赤霉素对油茶新梢数量抑制作用最大，200 mg/L赤霉素处理下新梢节间距显著增加，300 mg/L赤霉素处理对花芽形成和果实品质影响最大。刘世红等[65]分析了油棕开花过程中夹花叶片内源激素含量，发现开花前赤霉素积累较多，高比值的赤霉素/细胞分裂素有利于油棕雌花形成。惠文凯等[66]用40 mg/L的GA3喷施麻风树花序芽，可显著促进雌花发育，单花序果实数量增加，单果重、出籽率、百粒重和种子含油量显著降低。赤霉素调控林木开花的机制比较复杂，可从赤霉素在细胞内的受体、信号传导、调控开花的转录因子和基因等方面入手[67]，全面揭示赤霉素调控林木开花的机制。

在不同林木中，赤霉素调控雌雄花分化的结果和机制存在差异，赤霉素可能是与花器官形成基因相互作用共同调控雌雄花形成。李雪[68]从麻疯树花蕾中克隆了JcGASA6基因，发现其在雄花发育整个过程中起重要作用，特别是在花粉粒成熟期；而在雌花发育中只在大孢子母细胞期和大孢子母细胞分裂期起作用，表达产物定位在液泡膜上，可能在液泡中发挥功能。姜成英等[69]以4个10年生油橄榄品种为材料测定花期内源激素含量，发现检测不到GA3，说明高水平的GA3抑制花芽形态建成。刘世红等[70]喷施1000 mg/kg赤霉素，发现赤霉素抑制油棕雌花形成，促进雄花形成。Yu等[71]分析了滇润楠开花的分子机制，发现赤霉素参与了开花调控。Hui等[72]的前期研究发现用40 mg/L的GA3处理麻疯树，相比对照组能增加花序数量和雌雄花比例；比较处理和对照组在不同时期花序转录组差异，发现内源赤霉素、生长素、乙烯、脱落酸和油菜素内酯信号转导途径被抑制，但是与细胞分裂素和茉莉酸信号途径的基因表达量上调，花序分生组织决定基因JcLFY和JcSOC1，以及花序器官决定基因JcAP3、JcPI、JcSEP1-3的表达量均上调，但是负调控基因JcSVP基因的表达量下调，GA3主要作用于雌花序分化过程。王晓叶等[73]发现不育系白榆雄蕊发育异常，花药不能产生花粉，雌蕊发育正常，花芽中GA3含量在花发育早期较正常白榆高，后期趋于一致，认为GA3可能影响花粉正常发育。张宁等[74]研究了文冠果花芽分化过程中内源激素含量，发现雌花赤霉素含量显著低于雄花，高水平赤霉素有利于雄花发育。Xu等[75]分析了山苍子雄花败育过程中内源激素变化，发现赤霉素可能参与调控雄花败育。Jiang等[76]分析了木兰开花起始的分子基础，发现赤霉素信号转导参与了木兰开花调控，GID1B、GID1C和GASA家族基因在开花过程中高表达。了解赤霉素调控林木开花的机制，对于缩短林木育种周期，加快遗传改良有重要意义。

2.4 果实发育

果实在膨大过程中赤霉素迅速积累，外施赤霉素也能调控林木果实大小和成熟。毛世忠等[77]用0.1 mg/L的赤霉素喷施3年生朱砂根实生苗，发现果实变小，枝条变长、变细，株形松散。油棕果实发育过程中GA3含量从授粉后第100 d开始下降，油棕果实大小在授粉后100 d已经膨大到成熟果实的80%左右，与果实成熟密切相关[78-79]。王楚等[80]发现GA4+7较GA3更能促进白桦生长和结实，0.4 g/L的GA4+7是促进白桦结实的最佳浓度。赤霉素能促进果实发育和成熟，然而生长素、脱落酸和乙烯等其他激素以及MADS-box等转录因子在果实发育过程中也发挥作用[81]，赤霉素调控林木果实发育的机制还有待揭示。

2.5 叶片次生代谢物合成

喷施外源赤霉素可显著影响杜仲叶片中杜仲胶等次生代谢物含量。张付远等[82]发现喷施300 mg/L的GA3可以显著提高杜仲叶中杜仲胶含量，且杜仲胶相对分子质量及其分布增大；而经200 mg/L的GA3处理后杜仲胶相对分子质量及其分布减小。何文广等[83]用50 mg/L的GA3喷施1年生杜仲幼苗，发现对叶片中京尼平苷酸、绿原酸、总黄酮和杜仲胶含量有影响。张强等[84]用50 mg/L的GA3喷施2年生杜仲幼苗，发现赤霉素可以提高叶片中京尼平苷酸、桃叶珊瑚苷和绿原酸含量，降低总黄酮含量。赤霉素调控叶片次生代谢物合成在生产上有重要应用价值，其机制还有待研究。

2.6 解除休眠

赤霉素可解除休眠，促进萌芽。蔡斌华等[85]总结了赤霉素在木本植物季节性休眠中的作用及解除休眠的分子机制，认为赤霉素在木本植物季节性休眠中可能协同其他激素一起调控该过程，作用机制一方面是通过降解胞间连丝间的胼胝质，使信号物质运输到顶端分生组织，解除芽的休眠；另一方面是赤霉素激活了与氧化还原代谢、能量代谢及赤霉素生物合成及信号转导相关的代谢途径，从而解除休眠。Singh等[86]分析了温度调控白杨萌芽的机制，发现赤霉素促进萌芽，而SVL(SHORTVEGETATIVEPHASE-LIKE)基因在低温下通过负调控赤霉素途径，抑制白杨萌芽。Rinne等[87]将杨树放到不同温度处理下，分析芽发育，休眠建立和靶基因表达情况，发现萌芽过程中赤霉素途径的休眠释放基因上调，包括GA20ox、GA3ox、GID1等。赤霉素、生长素和脱落酸等植物激素与MADS-box等转录因子共同调控林木芽休眠，其中赤霉素与脱落酸在代谢和信号转导两个水平上互作调控林木休眠，然而还不确定赤霉素是否直接解除休眠[88]，其调控林木休眠解除的机制还不清楚。

2.7 非生物胁迫响应

赤霉素相关基因响应二氧化碳和干旱等非生物胁迫。Zhou等[89]克隆了6个面包树GA20ox基因，其中部分基因在绿色营养器官中表达，然而在根和生殖器官中有不同的表达模式。部分基因受到外源赤霉素或赤霉素合成抑制剂的反馈调节，部分基因在干旱和盐胁迫下表达下调。Wu等[90]分析了高二氧化碳对马尾松的影响，发现二氧化碳胁迫下赤霉素代谢途径关键酶GGPS表达量持续升高，说明赤霉素可能响应二氧化碳胁迫。Li等[91]分析了茶树嫩梢对干旱胁迫响应机制，鉴定出18个赤霉素相关基因。赤霉素参与林木响应非生物胁迫，可以研究其与其他逆境响应激素如脱落酸、水杨酸和茉莉酸甲酯等的相互作用机制。

2.8 其他

赤霉素还参与林木光合作用和重力感应等方面，可能赤霉素在林木中的作用远不止目前的研究报道。徐小蓉等[92]发现喷施赤霉素、2，4-D和丁酰肼混合激素对马缨杜鹃的光合和水分利用率有一定影响。Mami等[93]扩增了日本樱花赤霉素3β羟化酶，发现在下垂型樱花中的表达量高于直立型樱花，然而下垂型樱花伸长区中内源赤霉素含量高于直立型，表明赤霉素的含量和分布调控次生木质部形成，赤霉素的不平衡分布影响樱花重力感应。Zhou等[94]分析了滇杨正、倒扦插转录组差异，发现倒扦插时赤霉素信号途径相关基因表达量发生了很大变化，暗示赤霉素可能响应倒扦插。赤霉素在林木其他生命活动中的研究还不深入，其作用机制还有待继续揭示。

3 总结与展望

林木不仅可提供木材、油料、果实和天然橡胶等林产品，还在维护生态环境和维持生态平衡中发挥重要作用。赤霉素是林木中的重要激素之一，在种子萌发、茎和根的伸长、开花、果实发育、叶片次生代谢物合成、非生物胁迫响应和重力感应等生命活动中发挥重要作用，但其作用机制还不清楚。

近年来，随着二代和三代测序技术快速发展，林木基因组序列陆续公布。其中林木研究模式植物毛果杨[95]基因组率先公布，随后椰枣[96]、油棕[97]、巨桉[98]、橡胶[99]、椰子[100]、杜仲[101]、白木香[102]等其他经济林基因组也陆续发布。这些基因组序列的公布为解析赤霉素调控林木生长发育的分子机制奠定了重要基础，研究者可以通过开展连锁定位和全基因组关联分析发掘控制赤霉素合成和响应赤霉素的关键基因，也可以通过转录组、蛋白组和代谢组等多组学技术分析赤霉素合成和调控相关基因。另外，基因编辑技术已经在拟南芥[103]、水稻[104]、小麦[105]、玉米[106]、棉花[107]、油菜[108]、柑橘[109]、番茄[110]等植物中得到应用，其已经开始在毛白杨[111]等林木中应用。毛白杨[112]、杜仲[113]、橡胶[114]等林木已经建立遗传转化技术，正在开展基因编辑技术研究，未来在前期基因发掘基础上可以定向编辑赤霉素相关基因，创制矮秆、速生、高纤维等新种质，加快林木株形、产量和品质性状育种进程。