Gibberellin 20-oxidase promotes initiation and elongation of cotton fibers by regulating gibberellin synthesis
- 作者
- Yue-Hua Xiao, De-Mou Li, Meng-Hui Yin, Xian-Bi Li, Mi Zhang, Yan-Jun Wang, Jing Dong, Juan Zhao, Ming Luo, Xiao-Ying Luo, Lei Hou, Lin Hu, Yan Pei
- 单位
- Key Laboratory of Biotechnology and Crop Quality Improvement of Ministry of Agriculture of China, Biotechnology Research Center (Southern Campus), Southwest University, Tiansheng Road 216, Beibei, Chongqing 400716, PR China
- 杂志
- Journal of Plant Physiology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.jplph.2010.01.003
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
棉花胚珠和纤维中赤霉素（GA）含量如何被调控，以及内源GA浓度如何影响纤维发育，尚不清楚。
研究策略
从棉花中克隆三个GA20-氧化酶同源基因（GhGA20ox1-3），分析其表达模式与内源GA含量的关系；通过农杆菌介导的转基因技术在棉花中过量表达GhGA20ox1，验证其对纤维起始和伸长的调控作用；同时进行GA定量分析和显微观察。
核心内容
该研究从棉花中克隆了三个GA20-氧化酶同源基因GhGA20ox1-3，并系统解析了其在纤维与胚珠发育中的表达模式：GhGA20ox1在伸长纤维中优先表达，其转录水平与纤维内主要生物活性赤霉素GA1的含量变化同步；而GhGA20ox2和GhGA20ox3主要在胚珠中表达，与胚珠中GA1的累积趋势一致。通过农杆菌介导的转基因方法在棉花中过量表达GhGA20ox1，显著提高了转基因植株纤维和胚珠中内源活性赤霉素（尤其是GA4）的水平，并产生了节间伸长加快、植株细长、花铃变小等典型GA过量表型。关键的是，过表达株系在开花后32小时纤维初始平均长度达到0.36 mm，显著高于对照的0.27 mm，且纤维起始细胞比例和起始直径均显著增加，说明GhGA20ox1通过上调内源赤霉素合成同时促进纤维的起始和伸长。相比之下，RNAi抑制GhGA20ox1未产生明显表型变化，暗示棉花中可能存在功能冗余的GA20ox基因。该工作首次揭示了纤维与胚珠具有相对独立的GA调控体系，并表明GhGA20ox1是改良棉花纤维产量和品质的潜在靶基因。
创新点
首次在棉花中揭示GhGA20ox1在伸长纤维中优先表达，且其表达水平与内源GA1含量变化一致；通过过表达实验证明GhGA20ox1可促进纤维起始和伸长，并发现纤维与胚珠具有相对独立的GA调控体系。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 棉花（Gossypium hirsutum L. var. Jimian no. 14） | 赤霉素（GA）生物合成途径 | GhGA20ox1 | GA20-氧化酶1（Gibberellin 20-oxidase 1） | 催化 | 在伸长纤维中优先表达，过表达促进纤维起始和伸长，提高内源生物活性GA水平。 |
| 棉花（Gossypium hirsutum L. var. Jimian no. 14） | 赤霉素（GA）生物合成途径 | GhGA20ox2 | GA20-氧化酶2（Gibberellin 20-oxidase 2） | 催化 | 主要在发育胚珠中表达，可能参与胚珠中GA的合成。 |
| 棉花（Gossypium hirsutum L. var. Jimian no. 14） | 赤霉素（GA）生物合成途径 | GhGA20ox3 | GA20-氧化酶3（Gibberellin 20-oxidase 3） | 催化 | 主要在发育胚珠中表达，与胚珠中GA1积累趋势一致。 |
关键发现
- ['克隆了三个棉花的GA20-氧化酶同源基因GhGA20ox1-3，其cDNA长度分别为1164、1140和1137 bp，编码蛋白长度为387、379和378个氨基酸。', '在纤维中，生物活性GA以GA1为主，于10 DPA达到最高水平
- 在胚珠中，GA1含量从0到15 DPA持续上升。', 'GhGA20ox1在伸长纤维中优先表达，其表达水平与纤维中的GA1含量变化一致
- GhGA20ox2和GhGA20ox3主要在胚珠中表达，与胚珠中GA1积累趋势一致。', '过表达GhGA20ox1显著提高转基因棉花纤维和胚珠中内源生物活性GA水平，尤其是GA4，并导致GA过量产生表型（如植株细长、节间伸长加快、花和棉铃变小）。', '过表达GhGA20ox1显著增加单胚珠纤维起始数（2和3 DPA），并使成熟纤维和5 DPA幼纤维长度均显著增加。', '在开花后32小时，GhGA20ox1过表达株系纤维初始平均长度达0.36 mm，对照为0.27 mm
- 纤维起始细胞比例显著升高（p=2×10^-9），平均纤维起始直径显著增大（p=0.0009）。', 'GA定量分析显示，转基因纤维和胚珠中GA4积累到与GA1相当的水平，总生物活性GA（GA1+GA4）显著高于对照
- 而GA1在转基因纤维中下降，胚珠中上升，可能由于GA53底物限制。', 'RNAi抑制GhGA20ox1未导致明显表型变化，暗示存在其他冗余GA20ox基因。']
研究结论
GhGA20ox1通过调控内源赤霉素合成促进棉花纤维起始和伸长，是改良棉花纤维产量和品质的潜在靶基因。