Down regulation of StGA3ox genes in potato results in altered GA content and affect plant and tuber growth characteristics
- 作者
- Efstathios Roumeliotis, Bjorn Kloosterman, Marian Oortwijn, Theo Lange, Richard G.F. Visser, Christian W.B. Bachem
- 单位
- Wageningen University; Keygene N.V.; Institute of Plant Biology of the Technical University of Braunschweig
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2013.04.003
- 所属领域
- 植物代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
研究马铃薯中StGA3ox2基因下调对赤霉素含量及植株和块茎生长特性的影响，揭示其在块茎形成调控中的作用。
研究策略
利用RNAi技术沉默StGA3ox2基因，分析转基因植株的表型（株高、节间、叶片、块茎数量与产量），通过GC-MS测量多种GA含量，并克隆StGA3ox2启动子融合GUS报告基因进行表达定位。
核心内容
本研究利用RNAi技术沉默马铃薯中的StGA3ox2基因，以探究赤霉素（GA）生物合成在植株生长及块茎形成中的调控作用。转基因植株中StGA3ox2表达量下降4倍（clone14）至20倍以上（clone24），导致株高显著降低、节间缩短、叶片变小。尽管总产量未发生显著变化（各克隆约44–50g，对照43g），但块茎数量增加而平均块茎重量下降。GC-MS分析显示，沉默StGA3ox2使GA代谢通量从活性GA1/GA4的合成转向GA20/GA9等非活性前体的积累，同时GA4含量在部分克隆中升高，GA34降低；在短日诱导条件下，转基因克隆的GA8和GA34含量低于对照。启动子-GUS定位表明StGA3ox2在幼叶尖端、花蕾、茎维管束和非块茎化匍匐茎尖端表达。研究首次证明StGA3ox2沉默在不延迟块茎起始时间的前提下改变植株构型与块茎数量，并揭示了GA合成途径中前馈与反馈调节机制，为通过调控GA代谢改良马铃薯株型和产量构成提供了新思路。
创新点
首次通过RNAi沉默StGA3ox2研究其对马铃薯块茎形成和GA代谢的影响，并利用启动子-GUS定位了GA生物合成位点；同时研究了GA代谢中的前馈和反馈调节机制。
研究对象（6）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA3ox2 | GA3-氧化酶（StGA3ox2） | 催化 | 催化GA20/GA9转化为活性GA1/GA4，RNAi沉默导致植株矮化及GA含量改变 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA3ox1 | GA3-氧化酶（StGA3ox1） | 催化 | 与StGA3ox2同源，可能被RNAi部分沉默，共同催化GA20/GA9转化为活性GA |
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA2ox1 | GA2-氧化酶（StGA2ox1） | 催化 | 催化GA1/GA4失活为GA8/GA34，在短日条件下表达增强，转基因克隆中表达上调 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA2ox5 | GA2-氧化酶（StGA2ox5） | 催化 | 克隆14中表达轻度上调（0.5倍），参与GA失活 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA20ox | GA20-氧化酶 | 催化 | 克隆14中3个StGA20ox基因表达上调2-3倍，克隆27中1个上调，受反馈调节 |
| 马铃薯（Solanum tuberosum group Andigena） | 赤霉素（GA）生物合成及代谢途径 | StGA3ox2 启动子 | — | 调控 | 融合GUS报告基因用于定位StGA3ox2表达部位，显示在幼叶尖端、花蕾、茎维管束和匍匐茎尖端表达 |
关键发现
- StGA3ox2表达在转基因克隆中下降4倍（clone14）至20倍以上（clone24）
- 转基因植株株高显著降低、节间缩短、叶片变小
- 总产量无显著变化（克隆14为50g，克隆27和24为44g，对照43g），但块茎数量增加或平均块茎重量降低（克隆27和24）。GA含量分析显示克隆14中GA9、GA20、GA44、GA51、GA29升高，GA4也升高，而GA34降低
- 克隆27中GA20、GA44、GA51、GA29升高，GA9和GA4未升高。在短日诱导条件下，转基因克隆的GA8和GA34含量低于对照。GUS定位显示StGA3ox2在幼叶尖端、花蕾、茎维管束和非块茎化匍匐茎尖端表达。
研究结论
StGA3ox2沉默导致马铃薯植株矮化、块茎数量增加但总产量不变，且不影响块茎起始时间；GA代谢通量从活性GA1/GA4合成转向GA20/GA9的失活途径，并涉及GA生物合成基因的反馈调节。