Repression of gibberellin biosynthesis or signaling produces striking alterations in poplar growth, morphology, and flowering
- 作者
- Christine Zawaski, Mahita Kadmiel, Jim Pickens, Cathleen Ma, Steven Strauss, Victor Busov
- 单位
- School of Forest Research and Environmental Science, Michigan Technological University; Department of Cell and Molecular Physiology, University of North Carolina; Department of Forest Ecosystems and Society, Oregon State University
- 杂志
- Planta（2011）
- DOI
- 10.1007/s00425-011-1485-x
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
赤霉素（GA）在木本多年生植物中的生长发育调控作用尚不明确，尤其是在田间条件下对生长、形态、开花和物候的影响缺乏直接证据。
研究策略
在杨树中过表达GA代谢基因（GA2ox）和信号抑制因子（DELLA蛋白）的多种启动子-编码区组合，通过3年田间试验评估其对生长、形态、开花和物候的影响，并分析转基因表达量与表型的定量关系。
核心内容
该研究通过在杂交杨树（P. tremula × P. alba）中过表达赤霉素（GA）代谢基因（GA2ox）和信号抑制因子（DELLA蛋白）的多种启动子-编码区组合，系统评估了GA通路修饰对多年生木本植物性状的影响。经3年田间试验发现，35S::PtGA2ox和35S::rgl导致严重矮化，株高分别仅为对照的34%和39%，直径分别为58%和53%；35S::GAI株高为对照的84%而直径达96%，呈现茎高降低而直径相对保留的半矮化表型，这在生物量和碳封存方面具有潜在应用价值。多数半矮化植株表现出提早封顶和延迟萌芽。GAI在35S启动子下开花比例最高，且开花事件中GAI表达量显著高于未开花事件。表型-表达量关系分析显示gai相关基因呈S型剂量-响应曲线（R²最高0.9226），PcGA2ox呈二次多项式关系。主成分分析中PC1解释78%变异，年际间株高、直径、体积相关系数高达0.9以上，表明这些改变在多年间稳定。该研究证实GA代谢或信号抑制可稳定调控杨树生长、形态、开花和物候，半矮化表型为园艺、生物质生产和基因隔离提供了可行策略。
创新点
首次在田间条件下系统比较GA代谢与信号修饰对杨树多年生性状的影响；发现茎高降低而直径相对保留的半矮化表型有利于生物量和碳封存；发现GAI过表达可促进早花且开花事件与表达量相关。
研究对象（5）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 杨树克隆INRA717-1B4 (P. tremula × P. alba) | 赤霉素代谢 | PcGA2ox | 菜豆GA2-氧化酶 | 催化 | 35S启动子过表达，导致矮化、宽冠、叶面积减小 |
| 杨树克隆INRA717-1B4 (P. tremula × P. alba) | 赤霉素代谢 | PtGA2ox | 杨树GA2-氧化酶 | 催化 | 35S启动子过表达，严重矮化，株高为对照34% |
| 杨树克隆INRA717-1B4 (P. tremula × P. alba) | 赤霉素信号转导 | rgl-1 | RGL1（DELLA蛋白突变体） | 调控 | 35S启动子过表达，严重矮化，株高为对照39% |
| 杨树克隆INRA717-1B4 (P. tremula × P. alba) | 赤霉素信号转导 | gai | GAI（DELLA蛋白突变体，缺失51bp） | 调控 | 35S或pGAI启动子，中度矮化，剂量-响应关系 |
| 杨树克隆INRA717-1B4 (P. tremula × P. alba) | 赤霉素信号转导 | GAI | GAI（野生型DELLA蛋白） | 调控 | 35S或pGAI启动子，促进早花，35S::GAI开花事件最多 |
关键发现
- 35S::PtGA2ox和35S::rgl导致严重矮化，株高分别仅为对照的34%和39%，直径分别为58%和53%，体积均为19%
- 35S::PcGA2ox株高为89%、直径为82%
- 35S::gai株高79%、直径85%但与对照差异不显著
- 35S::GAI株高84%、直径96%
- pGAI::gai株高68%、直径69%
- pGAI::GAI株高109%与野生型无差异。多数半矮化转基因植株表现出提早封顶和延迟萌芽。GAI在35S启动子下最高比例开花事件，开花事件中GAI表达量显著高于未开花事件（P<0.05）。表型-表达量关系：gai相关基因呈S型剂量-响应曲线（R²最高0.9226），PcGA2ox呈二次多项式（R²最高0.6405）。PCA分析PC1解释78%变异。年际间株高、直径、体积相关系数高达0.9以上。
研究结论
GA代谢或信号抑制能稳定改变杨树的生长、形态、开花和物候，半矮化表型在多年间稳定，可用于园艺、生物质生产和基因隔离等应用。