Overexpression of AtDREB1A Causes a Severe Dwarf Phenotype by Decreasing Endogenous Gibberellin Levels in Soybean [Glycine max (L.) Merr.]
- 作者
- Haicui Suo, Qibin Ma, Kaixin Ye, Cunyi Yang, Yujuan Tang, Juan Hao, Zhanyuan J. Zhang, Mingluan Chen, Yuqi Feng, Hai Nian
- 单位
- The Guangdong Subcenter of National Center for Soybean Improvement, State Key Laboratory of Agricultural and Biological Resources Protection and Utilization in Subtropics, College of Agriculture, South China Agricultural University; Plant Transformation Core Facility, University of Missouri; College of Chemistry and Molecular Sciences, Wuhan University
- 杂志
- PLoS ONE（2012）
- DOI
- 10.1371/journal.pone.0045568
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
探究拟南芥转录因子AtDREB1A在大豆中过表达导致严重矮化表型的分子机制，特别是其与赤霉素（GA）生物合成途径的关系。
研究策略
通过农杆菌介导转化将CaMV 35S启动子驱动的AtDREB1A基因导入大豆，获得转基因植株，进行表型分析、外源GA3回补试验、GA代谢相关基因表达分析及内源GA含量测定。
核心内容
该研究通过农杆菌介导法将CaMV 35S启动子驱动的拟南芥转录因子AtDREB1A导入大豆品种Huachun 5，系统分析了转基因植株的矮化表型及其与赤霉素（GA）代谢的关系。表型分析显示，两个转基因株系株高较野生型分别降低79.91%和80.05%，节间长度仅为野生型的19.58%和22.08%，开花期和结荚期分别延迟20天和40天以上，百粒重降至野生型的51.5%和55.2%。外源GA3施用实验表明，144 μM每周一次连续三周或60 μM每周三次可恢复矮化表型，证实该表型属于GA缺陷型矮化。基因表达分析发现，转基因植株中C20-GA2氧化酶基因GmGA2ox4显著上调，而其他GA2ox基因下调，同时GmGA20ox5和GmGA3ox6表达上调。内源GA含量测定显示，活性GA1含量降低74.41%，GA4未检测到，GA19、GA9和GA20分别降至野生型的13.94%、28.01%和24.58%。结果表明，AtDREB1A过表达通过特异上调GmGA2ox4介导活性GA降解，从而引起大豆严重矮化，该机制为作物株型改良提供了潜在靶点。
创新点
首次在大豆中证明AtDREB1A过表达通过特异上调C20-GA2ox（GmGA2ox4）基因表达，降低活性赤霉素水平，导致GA缺陷型矮化表型，且该表型可被外源GA3恢复。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 大豆 (Glycine max (L.) Merr.) 品种Huachun 5 | 赤霉素(GA)生物合成与代谢途径 | AtDREB1A | DREB1A转录因子 | 调控 | 来自拟南芥，由CaMV 35S启动子驱动，在大豆中过表达导致矮化 |
| 大豆 (Glycine max (L.) Merr.) | 赤霉素(GA)生物合成途径 | GmGA2ox4 | GA2-氧化酶（C20-GA2ox） | 催化 | 编码C20-GA脱活酶，催化GA12、GA53等C20-GA前体氧化，其表达在转基因大豆中显著上调，导致活性GA减少 |
| 大豆 (Glycine max (L.) Merr.) | 赤霉素(GA)生物合成途径 | GmGA20ox5 | GA20-氧化酶 | 催化 | 转基因植株中表达上调，可能是反馈调节所致 |
| 大豆 (Glycine max (L.) Merr.) | 赤霉素(GA)生物合成途径 | GmGA3ox6 | GA3-氧化酶 | 催化 | 转基因植株中表达上调，参与活性GA合成，受负反馈调节 |
| 大豆 (Glycine max (L.) Merr.) | 赤霉素(GA)代谢途径 | GmGA2ox1, GmGA2ox2, GmGA2ox6, GmGA2ox7, GmGA2ox8 | GA2-氧化酶（C19-GA2ox） | 催化 | 这些基因在转基因植株中表达下调，与GmGA2ox4相反 |
关键发现
- 转基因大豆株高较野生型降低79.91%和80.05%，节间长度仅为野生型的19.58%和22.08%
- 叶绿素含量分别为野生型的1.1倍和1.5倍
- 开花期延迟20天以上，结荚期延迟40天以上
- 百粒重为野生型的51.5%和55.2%。外源GA3（144 μM每周一次连续三周或60 μM每周三次）可恢复矮化表型。转基因植株中GmGA2ox4表达显著上调，而其他GA2ox基因下调，GmGA20ox5和GmGA3ox6表达上调。内源GA1含量降低74.41%，GA4未检测到，GA19、GA9、GA20分别降至野生型的13.94%、28.01%和24.58%，GA12、GA53、GA24低于检测限。
研究结论
AtDREB1A过表达通过间接上调C20-GA2氧化酶基因GmGA2ox4，导致大豆体内活性赤霉素含量降低，从而引起严重的GA缺陷型矮化表型，外源GA3可恢复该表型。