Manipulation of hormone biosynthetic genes in transgenic plants
- 作者
- Peter Hedden, Andrew L Phillips
- 单位
- IACR-Long Ashton Research Station, Department of Agricultural Sciences, University of Bristol, Long Ashton, Bristol BS41 9AF, UK
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2000）
- DOI
- 10.1016/S0958-1669(00)00071-9
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过转基因技术操作植物激素生物合成基因，以研究激素功能并改良作物性状。
研究策略
综述了通过表达细菌或植物来源的激素合成/代谢基因（如iaaM、ipt、GA20-氧化酶、ACCO等）直接或间接改变内源激素水平，并利用组织特异性/诱导型启动子实现时空调控。
核心内容
该综述系统总结了通过转基因操作植物激素生物合成基因来研究激素功能并改良作物性状的策略与进展。作者梳理了针对生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、茉莉酸和脱落酸等主要激素的经典遗传操作手段，包括表达细菌来源的iaaM、ipt等异源合成基因，或调控植物内源GA20-氧化酶、ACC氧化酶等代谢酶，并借助组织特异性或诱导型启动子实现激素水平的时空调控。关键结果方面，拟南芥过表达AtGA20ox1使GA4含量提升2-3倍，而反义抑制则将其降至对照的三分之一；表达靶向GA前体的单链抗体积累至总可溶性蛋白3.6%时即引发矮化。此外，反义抑制ABA2降低种子ABA并加速萌发，BASI过表达使油菜素内酯失活导致矮化。文章强调，虽然这些操作能有效改变激素水平并产生可预测的表型，具有农业应用潜力，但内源激素稳态反馈及激素间互作常限制工程效果，未来需深入理解调控网络并发展单链抗体、嵌合酶等新型工具以提升改造精度。
创新点
总结了各类激素（生长素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、茉莉酸、脱落酸等）遗传操作的经典策略与最新进展，强调了反馈稳态对工程效果的制约，并提出了利用单链抗体和嵌合酶等新型工具。
研究对象（13）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 多种转基因植物（烟草、番茄等） | 吲哚乙酸（IAA）合成 | iaaM | 色氨酸2-单加氧酶 | 催化 | 催化色氨酸生成吲哚-3-乙酰胺，植物组织可将其转化为IAA |
| 拟南芥 | 吲哚乙酸（IAA）合成 | NIT2 | 腈水解酶 | 催化 | 催化吲哚-3-乙腈（IAN）生成IAA，过表达需外源IAN才有效 |
| 烟草 | 细胞分裂素（CK）合成 | ipt | 异戊烯基转移酶 | 催化 | 催化腺苷-5'-磷酸与异戊烯基二磷酸生成异戊烯基腺苷-5'-磷酸 |
| 油菜（Brassica napus） | 细胞分裂素（CK）合成 | tzs | 异戊烯基转移酶同源物 | 催化 | 与ipt同源，热激诱导表达可增加玉米素型CK及种子数量 |
| 拟南芥 | 赤霉素（GA）合成 | AtGA20ox1 | GA20-氧化酶 | 催化 | 过表达使GA4含量增加2-3倍，促进茎伸长和早花 |
| 拟南芥 | 赤霉素（GA）失活 | AtGA2ox1 | GA2-氧化酶 | 催化 | 催化GA的2β-羟化失活，过表达导致极端矮化 |
| 拟南芥、Solanum dulcamara | 赤霉素（GA）合成 | 南瓜GA20-氧化酶（PGA20ox） | GA20-氧化酶 | 催化 | 产生非活性C-20三羧酸GA，过表达使GA4减少80%并轻度矮化 |
| 番茄、甜瓜、青花菜等 | 乙烯合成 | ACCO（反义） | ACC氧化酶 | 催化 | 反义抑制可减少乙烯生成，延缓成熟衰老 |
| 烟草 | 茉莉酸（JA）合成 | AOS（来自亚麻） | 丙二烯氧化物合酶 | 催化 | 胞质定位AOS在健康组织中不增加JA，但创伤后JA含量显著上升 |
| 烟草（Nicotiana plumbaginifolia） | 脱落酸（ABA）合成 | ABA2 | 玉米黄质环氧化酶 | 催化 | 过表达增加种子ABA含量并延迟萌发，反义降低ABA并加速萌发 |
| 拟南芥、烟草 | 油菜素内酯（BR）失活 | BASI | 细胞色素P450（C-26羟化酶） | 催化 | 催化油菜素内酯在C-26羟化失活，过表达导致矮化 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）合成调控 | NTH15 / OSH1 | KNOTTED型同源异型盒蛋白 | 调控 | 过表达抑制GA20-氧化酶基因表达，降低GA1含量，导致矮化 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）信号调控 | scFv（单链抗体） | 抗GA24/19单链抗体 | 调控 | 靶向内质网后积累至总可溶性蛋白的3.6%，通过隔离GA中间体降低GA1水平，导致矮化 |
关键发现
- 拟南芥过表达AtGA20ox1使GA4含量增加2-3倍，反义抑制该基因使GA4降至对照的约三分之一
- 过表达南瓜GA20-氧化酶使GA4减少80%，但仅产生轻度矮化表型
- 表达单链抗体（靶向GA24/19）积累至总可溶性蛋白的3.6%时导致矮化
- 热激诱导ipt表达可增加拟南芥玉米素型细胞分裂素
- 反义抑制ABA2使种子ABA含量降低并加速萌发
- BASI过表达使油菜素内酯失活导致矮化。
研究结论
遗传操作植物激素生物合成基因能够有效改变激素水平并产生可预测的发育表型，具有农业应用潜力，但激素稳态反馈和激素间互作可能限制工程效果，需深入研究调控机制。