Modification of plant architecture through the expression of GA 2-oxidase under the control of an estrogen inducible promoter in Arabidopsis thaliana L
- 作者
- Ian S. Curtis, Atsushi Hanada, Shinjiro Yamaguchi, Yuji Kamiya
- 杂志
- Planta（2005）
- DOI
- 10.1007/s00425-005-0037-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用化学诱导系统在拟南芥中位点特异性地调控赤霉素(GA)失活，从而在不影响整体生长的情况下改良植物株型。
研究策略
采用基于雌激素受体的XVE化学诱导表达系统，在拟南芥中表达菜豆GA 2-氧化酶(PcGA2ox1)，通过外源施加17-β-雌二醇实现对GA失活的局部控制。
研究路线图
核心内容
该研究利用雌激素诱导的XVE化学诱导表达系统，在拟南芥中实现了菜豆GA 2-氧化酶（PcGA2ox1）的位点特异性表达，从而在不影响整体生长的前提下改良株型。通过外源施加17-β-雌二醇，仅在处理位点激活GA失活，局部调控赤霉素代谢。结果显示，高表达株系2oxH2的抽薹延迟达46天（野生型36天），开花延迟达62天（野生型41天），处理叶出现偏上性和暗绿色“绿岛”表型。PcGA2ox1转录本在处理后1小时内可检出，3至5小时达峰。QRT-PCR分析表明，GA下调基因AtGA3ox1、AtGA20ox1和SCL3上调，而GA上调基因AtGA2ox1和AtExp1下调。GA含量测定显示，2oxH2中GA9由0.06 ng/g降至0.03 ng/g，其2β-羟基化产物GA51则由0.22 ng/g升至2.23 ng/g（约10倍），验证了GA失活的生化机制。外源GA4可逆转矮化表型。该研究表明，通过化学诱导系统实现局部GA失活可有效延迟抽薹和开花并改变株型，为作物株型改良提供了可行策略。
创新点
1. 利用XVE系统实现了PcGA2ox1的时空特异性表达，仅在雌激素处理位点发生GA失活；2. 局部GA失活可在不改变叶面积和育性的前提下延迟抽薹和开花；3. 揭示了局部GA失活对GA响应基因表达和GA稳态的同步调控。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 赤霉素代谢/失活 | PcGA2ox1 | GA 2-氧化酶 (PcGA2ox1) | 催化 | 来自菜豆，催化GA9、GA4等C19-GAs的2β-羟基化，使其失活。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 赤霉素生物合成 | AtGA3ox1 | GA 3β-羟化酶 | 催化 | GA生物合成酶，受GA负反馈调节，在GA缺乏时表达上调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 赤霉素生物合成 | AtGA20ox1 | GA 20-氧化酶 | 催化 | GA生物合成酶，受GA负反馈调节，在GA缺乏时表达上调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 赤霉素信号转导 | SCL3 | SCARECROW-LIKE3 (SCL3) | 调控 | GA下调基因，在GA缺乏时表达上调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 赤霉素代谢/失活 | AtGA2ox1 | GA 2-氧化酶（内源） | 催化 | GA上调基因，在GA缺乏时表达下调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 细胞壁松弛 | AtExp1 | 扩张蛋白 (expansin) | 催化 | GA上调基因，在GA缺乏时表达下调。 |
| 拟南芥 (Arabidopsis thaliana L. ecotype Columbia) | 外源基因表达系统 | XVE（融合蛋白） | 雌激素受体-XVE转录激活因子 | 调控 | 由LexA-VP16-雌激素受体组成，响应17-β-雌二醇启动下游基因表达。 |
关键发现
- 在XVE系统控制下表达PcGA2ox1，施用雌二醇后，高表达株系2oxH2的最大抽薹延迟达46天（野生型为36天），开花延迟达62天（野生型为41天）
- 处理叶出现偏上性和暗绿色'绿岛'
- PcGA2ox1转录本在处理后1小时内可检出，3-5小时达峰
- QRT-PCR显示GA下调基因AtGA3ox1、AtGA20ox1和SCL3上调，GA上调基因AtGA2ox1和AtExp1下调
- GA分析显示2oxH2中GA9由0.06 ng/g降至0.03 ng/g，其2β-羟基化产物GA51由0.22 ng/g升至2.23 ng/g（约10倍）
- 外源GA4可逆转矮化表型。
研究结论
XVE系统控制的PcGA2ox1表达可通过在雌激素处理位点进行2β-羟基化有效改变拟南芥株型，该方法有望用于延迟抽薹和开花，改善作物株型。