Modification of gibberellin production and plant development in Arabidopsis by sense and antisense expression of gibberellin 20-oxidase genes

作者: Jeremy P. Coles, Andrew L. Phillips, Stephen J. Croker, Raol Garcia-Lepe, Mervyn J. Lewis, Peter Hedden
单位: IACR-Long Ashton Research Station, Department of Agricultural Sciences, University of Bristol, Long Ashton, Bristol BS41 9AF, UK
杂志: The Plant Journal（1999）
DOI: 10.1046/j.1365-313x.1999.00410.x
所属领域: 代谢工程
关键词: Arabidopsis thalianaGA biosynthesisantisense suppressiongibberellin 20-oxidaseplant heighttransgenic plants
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解决的核心问题

研究拟南芥GA20-氧化酶基因家族在赤霉素生物合成中的限速作用，并验证通过正义/反义表达调控GA含量及植物株高的可行性。

研究策略

在拟南芥中分别正义和反义表达三个GA20-氧化酶cDNA（AtGA20ox1/2/3），比较各转基因系的表型、GA含量及基因表达变化。

研究路线图

100%

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核心内容

该研究以拟南芥为对象，系统考察了赤霉素20-氧化酶基因家族（AtGA20ox1/2/3）在GA生物合成中的限速作用，并通过正义与反义表达策略调控GA水平以改变植株发育。作者分别构建了三个GA20-氧化酶cDNA的正义和反义转基因系，比较其表型、GA含量及基因表达差异。结果显示，过表达任一GA20-氧化酶均使幼苗下胚轴增长约50%（对照0.80 mm vs 1.25–1.33 mm），成熟株高在长日下增加约25%、短日下增加约33%，莲座中GA4水平提高至对照的2–3倍（0.7–0.9 ng/g FW vs 0.3 ng/g FW），同时开花显著提前。反义表达AtGA20ox1则使长日下株高降低约40%，短日下仅为对照的37%–50%，茎尖GA4水平从12.4 ng/g FW降至3.0–8.9 ng/g FW，产生半矮化表型。研究证实GA20-氧化酶是GA合成的关键限速酶，其表达水平直接决定GA含量与株高，反义抑制该基因可高效降低GA并改良株型，为作物矮化育种提供了可行策略。

创新点

首次系统比较了三个GA20-氧化酶基因的功能；证明GA20-氧化酶是GA生物合成的限速酶；通过反义RNA有效降低GA水平并获得半矮化植株，为作物株高遗传改良提供了新途径。

研究对象（4）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)	赤霉素生物合成	AtGA20ox1	GA20-氧化酶1	催化	正义表达促进茎伸长和早花，反义表达导致半矮化，尤其在短日下
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)	赤霉素生物合成	AtGA20ox2	GA20-氧化酶2	催化	反义表达在短日下株高降低约20%，影响花序节间长度
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)	赤霉素生物合成	AtGA20ox3	GA20-氧化酶3	催化	反义表达仅幼苗期下胚轴变短，后期无可见表型
拟南芥 (Arabidopsis thaliana)	赤霉素生物合成	AtGA3ox1	GA3β-羟化酶	催化	受活性GA反馈调控，过表达GA20-氧化酶时转录水平下降

关键发现

过表达任一GA20-氧化酶cDNA使幼苗下胚轴约长50%（对照0.80 mm vs
25-1.33 mm），成熟株高在长日下增加约25%、短日下增加约33%；长日下开花提前约4天（6叶 vs 9叶），短日下提前10天（24叶 vs 29叶）；莲座中GA4水平提高2-3倍（对照0.3 ng/g FW，过表达0.7-0.9 ng/g FW）。反义AtGA20ox1植株长日下株高降低约40%，短日下最终株高仅为对照的37%和50%；茎尖GA4水平从对照12.4 ng/g FW降至3.0和8.9 ng/g FW。反义AtGA20ox2在短日下株高减少约20%。过表达株系茎尖GA8含量约升高10倍（0.1-0.3 vs
0-1.5 ng/g FW）。

研究结论

GA20-氧化酶是赤霉素生物合成的关键限速酶，其表达水平显著影响GA含量及植物发育；通过反义表达AtGA20ox1可有效降低GA水平并产生半矮化表型，表明该策略可用于作物株高改良。