Overexpression of the gibberellin 2-oxidase gene from Torenia fournieri induces dwarf phenotypes in the liliaceous monocotyledon Tricyrtis sp.
- 作者
- Masahiro Otani, Shuhei Meguro, Haruka Gondaira, Megumi Hayashi, Misaki Saito, Dong-Sheng Han, Phithak Inthima, Kanyaratt Supaibulwatana, Shiro Mori, Yusuke Jikumaru, Yuji Kamiya, Tuoping Li, Tomoya Niki, Takaaki Nishijima, Masaji Koshioka, Masaru Nakano
- 单位
- 日本新潟大学农学部; 泰国玛希隆大学理学院生物技术系; 日本酪农学园大学农食环境学部; 日本理化学研究所植物科学中心生长调控研究组; 日本国立花卉科学研究所; 日本大学生物资源科学部
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2013.05.002
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
在百合科单子叶观赏植物Tricyrtis sp.中，通过遗传操作GA代谢途径获得矮化植株，并避免发根综合征等不良形态，以改良株型。
研究策略
利用农杆菌介导的遗传转化，将来源于双子叶植物Torenia fournieri的GA2ox基因TfGA2ox2置于CaMV 35S启动子下在Tricyrtis sp.中过表达，通过使活性赤霉素失活降低内源GA水平，从而获得矮化表型。
核心内容
本研究通过在百合科单子叶观赏植物Tricyrtis sp. 'Shinonome'中农杆菌介导转化，异源表达双子叶植物Torenia fournieri的赤霉素2-氧化酶基因TfGA2ox2（由CaMV 35S启动子驱动），使活性赤霉素失活从而降低内源GA水平，以改良株型。共获得6个独立转基因株系，全部表现矮化，其中3个中度矮化（茎长5.5–9.8 cm），3个严重矮化（茎长2.4–2.5 cm），而对照茎长为34.6 cm。茎表皮细胞长度显著缩短至对照的10%–46%（对照238.9 μm，最矮株系G2-10仅24.7 μm）。中度矮化株系G2-3的GA4含量降至对照的5.1%，严重矮化株系G2-1中GA4低于检测限，外源GA3处理可恢复株高和叶形，证明矮化确实由GA代谢改变所致。TfGA2ox2表达水平与矮化程度正相关。该研究首次在单子叶百合科植物中利用双子叶GA代谢基因实现矮化，且未出现发根农杆菌转化常见的卷曲叶、顶端优势减弱等不良性状，但花发育异常，表明该策略可用于株型分子改良，后续需借助弱启动子或组织特异性启动子表达GA2ox以兼顾正常开花。
创新点
首次在单子叶百合科观赏植物中利用双子叶植物的GA代谢基因实现株型改变；异源表达TfGA2ox2成功诱导矮化，且未出现rol基因或发根农杆菌转化常见的卷曲叶、顶端优势减弱等不良性状；但花发育异常，为后续利用组织特异性启动子改良提供了依据。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Tricyrtis sp. 'Shinonome' | 赤霉素(GA)生物合成与代谢通路 | TfGA2ox2 | Gibberellin 2-oxidase (GA2ox) | 催化 | 来自Torenia fournieri，在CaMV 35S启动子驱动下过表达，催化活性GA及其前体失活，导致矮化表型。 |
关键发现
- 共获得6个独立转基因株系，全部表现矮化，其中3个中度矮化（茎长5.5-9.8 cm，如G2-3为9.8 cm，G2-4为5.5 cm，G2-6为6.3 cm），3个严重矮化（茎长2.4-2.5 cm，如G2-1、G2-2为2.4 cm，G2-10为2.5 cm），而对照茎长为34.6 cm。茎表皮细胞长度显著降至对照的10%-46%（对照为238.9 μm，最矮的G2-10为24.7 μm，G2-1为29.0 μm，G2-6为110.6 μm）。中度矮化株系G2-3的GA4含量降至对照的5.1%，严重矮化株系G2-1中GA4低于检测限
- 外源GA3处理可恢复株高和叶形态。TfGA2ox2表达水平与矮化程度正相关，且严重矮化株系多为单拷贝插入，中度矮化株系为多拷贝。
研究结论
过表达TfGA2ox2通过降低内源活性赤霉素含量导致Tricyrtis sp.矮化，且GA信号通路正常。该策略可用于百合科观赏植物的株型分子改良，但为获得正常花朵，需使用弱启动子或组织特异性启动子控制GA2ox表达。