Increased gibberellin contents contribute to accelerated growth and development of transgenic tobacco overexpressing a wheat ubiquitin gene
- 作者
- Guo-Kun Wang, Meng Zhang, Jiang-Feng Gong, Qi-Fang Guo, Ya-Nan Feng, Wei Wang
- 杂志
- Plant Cell Reports（2012）
- DOI
- 10.1007/s00299-012-1331-z
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
泛素（Ub）在植物生长发育中的功能尚不清楚，特别是泛素过量表达如何影响赤霉素（GA）代谢进而调控植物生长和开花时间。
研究策略
在烟草中过表达小麦泛素基因TaUb2，分析其表型、MADS-box基因表达、总赤霉素和活性赤霉素含量、GA代谢基因表达以及外源GA或GA合成抑制剂的影响，揭示泛素通过调节GA代谢加速植物生长的机制。
核心内容
该研究在烟草中过表达小麦泛素基因TaUb2，以探究泛素过量表达对赤霉素代谢及植物生长发育的调控作用。转基因烟草表现出苗期生长加速和显著早花，开花时间较野生型提前约30天，同时总赤霉素及活性赤霉素（GA3和GA4）含量在相同发育阶段明显升高。GA代谢关键基因NtGA20ox1、NtGA20ox2、NtGA3ox1和NtGA2ox3的表达也同步上调，MADS-box基因NtMADS-11和NtMADS-4的提前激活则与花转变加速相关联。外源10⁻⁵ M GA3处理可模拟转基因烟草的早花表型，而GA合成抑制剂多效唑则抑制其生长，证实了GA在其中的核心作用。Western blot显示开花期间泛素缀合物积累而游离泛素减少，提示泛素经26S蛋白酶体途径参与GA信号调控。该结果首次证明小麦泛素基因通过促进活性GA合成与代谢加速烟草生长和开花，为理解泛素系统与赤霉素网络互作提供了新线索。
创新点
首次证明过表达小麦泛素基因TaUb2可加速烟草生长并导致早花，且该效应与总GA和活性GA含量升高及GA代谢基因上调相关；提出泛素可能通过UPS和DELLA介导的GA信号调控植物生长发育的假设。
研究对象（8）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 烟草（Nicotiana tabacum L.） | 泛素-26S蛋白酶体系统（UPS） | TaUb2 | 泛素（Ubiquitin） | 调控 | 小麦泛素基因，在CaMV 35S启动子控制下过表达 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）代谢 | NtGA20ox1 | GA 20-氧化酶 | 催化 | GA生物合成基因，实时RT-PCR检测表达 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）代谢 | NtGA20ox2 | GA 20-氧化酶 | 催化 | GA生物合成基因 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）代谢 | NtGA3ox1 | GA 3β-羟化酶 | 催化 | GA生物合成基因 |
| 烟草 | 赤霉素（GA）代谢 | NtGA2ox3 | GA 2-氧化酶 | 催化 | GA分解代谢基因 |
| 烟草 | MADS-box基因调控 | NtMADS-11 | MADS-box转录因子 | 调控 | 发育标记基因，在营养和生殖器官表达 |
| 烟草 | MADS-box基因调控 | NtMADS-4 | MADS-box转录因子 | 调控 | 花器官特异表达，在转基因烟草中提前表达 |
| 烟草 | 赤霉素信号转导 | — | DELLA蛋白 | 调控 | GA信号通路中的抑制因子，通过泛素化降解 |
关键发现
- 过表达TaUb2的转基因烟草在苗期生长加速，开花时间比野生型提前约30天
- 转基因烟草的总GA和活性GA（GA3和GA4）含量在相同发育阶段显著高于野生型
- GA代谢基因NtGA20ox1、NtGA20ox2、NtGA3ox1和NtGA2ox3在相似发育阶段表达上调
- 外源10^-5 M GA3处理使野生型出现类似转基因的早花表型，而GA合成抑制剂paclobutrazol抑制转基因烟草生长
- MADS-box基因NtMADS-11和NtMADS-4在转基因烟草中表达提前上调
- Western blot显示开花期间泛素缀合物增加、游离泛素单体减少。
研究结论
过表达小麦TaUb2通过促进赤霉素（特别是活性GA）的合成和代谢，加速转基因烟草的茎生长和花转变，导致早花和缩短生命周期；泛素参与GA的生成、代谢和功能调控，对植物生长发育至关重要。