Engineering gibberellin metabolism in Solanum nigrum L. by ectopic expression of gibberellin oxidase genes
- 作者
- A. Bhattacharya, D. A. Ward, P. Hedden, A. L. Phillips, J. B. Power, M. R. Davey
- 单位
- Plant and Crop Sciences Division, School of Biosciences, University of Nottingham, Sutton Bonington Campus, Loughborough LE12 5RD, UK; Rothamsted Research, Harpenden AL5 2JQ, UK
- 杂志
- Plant Cell Reports（2012）
- DOI
- 10.1007/s00299-011-1214-8
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何通过异源表达赤霉素氧化酶基因调控龙葵（Solanum nigrum）的赤霉素代谢，从而改变植株高度和株型，以减少化学生长调节剂的使用。
研究策略
利用农杆菌介导的基因转化，在CaMV 35S启动子控制下，将来自拟南芥的GA20氧化酶基因AtGA20ox1和来自Marah macrocarpus的GA3氧化酶基因MmGA3ox1、MmGA3ox2单独或组合转入龙葵叶片外植体，通过PCR和RT-PCR验证整合与表达，检测转基因植株的株高、节间长度、茎粗、冠幅、果实等表型，并测定GA含量。
核心内容
本研究通过农杆菌介导的遗传转化，在CaMV 35S启动子控制下将拟南芥GA20氧化酶基因AtGA20ox1以及来自Marah macrocarpus的GA3氧化酶基因MmGA3ox1和MmGA3ox2分别或组合转入龙葵叶片外植体，以调控赤霉素代谢进而改变株高和株型。结果显示，AtGA20ox1转基因植株平均株高达79.0 cm，较对照61.0 cm增加31%，节间长度增加59%，茎粗从10.7 mm增至14.9 mm，GA1含量由1.38 ng/g鲜重升至7.47 ng/g鲜重，效果最为突出；MmGA3ox2单表达使株高增加14%、GA1含量最高达59.0 ng/g，而MmGA3ox1+MmGA3ox2共表达使株高增加10.4%、冠幅增加37%，MmGA3ox1单独表达仅引起边际效应。该策略通过异源表达不同功能特性的GA氧化酶可有效调控植物高度，且MmGA3ox2的脱饱和酶活性可能生成抗降解的1,2-脱饱和GA，为减少园艺化学生长调节剂使用提供了新的工程化途径。
创新点
比较了GA20氧化酶和两种功能不同的GA3氧化酶（MmGA3ox1为3β-羟化酶，MmGA3ox2兼具3β-羟化酶和脱饱和酶活性）单独及组合表达对龙葵株高的影响，发现MmGA3ox2的脱饱和酶活性可更有效地提高GA含量和株高，且组合表达可产生抗降解的1,2-脱饱和GA，为植物高度工程化提供了新的策略。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Solanum nigrum (龙葵) | 赤霉素（GA）生物合成途径 | AtGA20ox1 | GA20氧化酶1 | 催化 | 来自拟南芥，催化GA12/GA53生成GA9/GA20，是GA生物合成的限速步骤 |
| Solanum nigrum (龙葵) | 赤霉素（GA）生物合成途径 | MmGA3ox1 | GA3氧化酶1 | 催化 | 来自Marah macrocarpus，具有3β-羟化酶活性，将GA9/GA20转化为生物活性GA4/GA1 |
| Solanum nigrum (龙葵) | 赤霉素（GA）生物合成途径 | MmGA3ox2 | GA3氧化酶2 | 催化 | 来自Marah macrocarpus，主要作为脱饱和酶形成2,3-二氢GA9/GA5，也具有3β-羟化酶活性，组合可产生活性GA7/GA3 |
关键发现
- AtGA20ox1转基因植株平均株高79.0 cm，比对照（61.0 cm）增加31%，最高植株增加48%；节间长度增加59%（9.8 cm vs
- 7 cm）；茎粗14.9 mm vs
- 7 mm；GA1含量从对照的1.38 ng/g鲜重增至7.47 ng/g鲜重。MmGA3ox2转基因植株平均株高70.1 cm，比对照（61.0-61.7 cm）增加14%，GA1含量最高达59.0 ng/g（对照约24.7-26.1 ng/g）。MmGA3ox1+MmGA3ox2共表达植株株高增加10.4%（平均68.6 cm vs
- 0 cm），冠幅增加37%（36.9 cm vs
- 0 cm）。MmGA3ox1单独表达仅引起GA1和株高的边际增加，未产生持续显著效果。
研究结论
在龙葵中过表达GA20氧化酶AtGA20ox1能显著增加株高和节间长度，效果最为突出；GA3氧化酶MmGA3ox2及与MmGA3ox1的组合也能提高GA含量和株高，但效应较温和。该转化策略可用于调控植物株高，有望减少园艺业中化学生长调节剂的使用。