赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與植物的矮化

1、赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)與植物的矮化李曉波12徐吉臣1朱立煌13(1中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育研究所植物分子生物學(xué)開放實驗室北京100101)(2中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)所烏魯木齊830011)摘要論述近年來在擬南芥、水稻等模式植物中赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的研究進(jìn)展。通過對赤霉素相關(guān)突變體的生理研究鑒定出幾個介入赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程的重要基因并對這些基因的產(chǎn)物進(jìn)行分析根據(jù)相應(yīng)的蛋白特征結(jié)構(gòu)域推導(dǎo)了它們可能具有的功能。利用雙突變體分析了這些基因的上下游關(guān)系確定了在植

2、物中GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的幾個途徑。在此基礎(chǔ)上提出了赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的基本模式:阻遏是GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中最基本的方式GA信號通過去除阻遏作用來激活轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑從而調(diào)節(jié)GA相關(guān)的生長與發(fā)育。關(guān)鍵詞赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)矮稈水稻擬南芥收稿日期:2004202206修回日期:20042082183通訊作者電子信箱:Lhzhu@sslo.igtp.ac.cn第二次世界大戰(zhàn)后為了解決日益增長的人口溫飽問題農(nóng)民用大量的化學(xué)肥料來提高農(nóng)作物產(chǎn)量但是隨之而來的是土地日益板化

3、和貧瘠農(nóng)作物反而減產(chǎn)。到了20世紀(jì)60～70年代育種學(xué)家采用了革新作物品種并推廣了與之相應(yīng)的栽培方法使得世界糧食的產(chǎn)量得以大幅度的提高黃色的土地又恢復(fù)了充滿生機(jī)的綠色這就是歷史上著名的“綠色革命”[1～4]。革新的品種與以前的品種相比最明顯的特征是矮化通過減少莖的生物質(zhì)量來增加谷物的產(chǎn)量同時又增強(qiáng)了耐風(fēng)沙、抗倒伏的特點[12]。進(jìn)入20世紀(jì)90年代應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)手段對這些矮化品種深入研究揭示了植物矮化的分子機(jī)理:植物對生長激素———赤

4、霉素(gibberellinsGAs)發(fā)生了不正常的響應(yīng)如小麥rht[5]或者植物合成赤霉素的能力有缺陷如水稻中的d18[6]。赤霉素(gibberellinsGAs)作為一類二萜類植物激素對植物的發(fā)芽、莖的生長、花和種子發(fā)育有著多方面的影響[7]。在過去的幾十年里GAs的生物合成和代謝途徑已經(jīng)研究清楚并克隆了這些途徑中的基因。最近幾年開始研究內(nèi)源植物激素如何調(diào)控植物的生長及發(fā)育亦即探討植物激素分子(信號)引起植物發(fā)育過程(信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑

5、)的分子機(jī)理。研究表明當(dāng)植物細(xì)胞接收胞外的信號后通過跨膜的受體傳到體內(nèi)經(jīng)過一系列的中介產(chǎn)生一系列的生化反應(yīng)并導(dǎo)致植株產(chǎn)生正常的生理現(xiàn)象[8]。所經(jīng)過的中介就是這個信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的組成元件。當(dāng)這個途徑中的組成元件的基因發(fā)生突變后就會造成植株產(chǎn)生異常的生理現(xiàn)象如矮化。目前在研究赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)時主要是利用遺傳突變或反向遺傳學(xué)的方法通過篩選自發(fā)和人工的各類突變體分析其表型及生理特性如突變體對不同濃度GAs的響應(yīng)情況α2淀粉酶的分泌以及GAs合成

6、途徑中主要酶的表達(dá)量由此來確定是否與赤霉素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)而后利用圖位克隆或T2DNA插入等方法克隆這些基因并結(jié)合功能基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)中的新方法對它們的功能進(jìn)行分析。并將這些突變體雜交進(jìn)一步確定各組成元件之間的上下游關(guān)系最終得出GAs的轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。1GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的組成元件及其功能111DWARF1DWARF1(D1)是水稻中編碼異源三體的G蛋白α2亞基(Gα)的基因[9]。d1突變體具有GAs缺陷突變體的表型例如半矮葉片呈深綠色等但

7、是它卻有很高的內(nèi)源活性GAs水平誘導(dǎo)d1莖節(jié)的伸長所需要的GA濃度要高出野生型1000倍。出人意料的是突變體的第二葉對GA的敏感性與野生第24卷第12期中國生物工程雜志CHINABIOTECHNOLOGY2004年12月圖1GAIΠRGA家族序列特點Fig.1SchemesofGAIΠRGAfamily113GIDgid(gibberellin2insensitivedwarf)是水稻中的隱性的嚴(yán)重矮化的突變體它的表型同GA2缺陷型的d

8、18矮化植株一樣表現(xiàn)為寬的深綠色的葉片[23]。用外源GA處理野生型d18以及gid時在10nmolΠLGA濃度時野生型和d18都表現(xiàn)為生長而gid幾乎不響應(yīng)在用GA處理種子來檢測α2淀粉酶的誘導(dǎo)情況gid沒有α2淀粉酶的分泌也沒有檢測到α2淀粉酶的轉(zhuǎn)錄。此外還檢測了GA合成途徑中的GA20OX的表達(dá)量。在正常情況下這個酶在植物的營養(yǎng)器官里表達(dá)量很高。在野生型和d18中用GA處理后這個酶受到反饋抑制表達(dá)量降低而在gid中用GA處理后表達(dá)

9、量不受到影響。直接測定植物內(nèi)源GA的含量在gid中則積累了高濃度的GA[24]這說明GA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑發(fā)生缺陷?？寺∫吧虶ID基因它編碼了639個堿基產(chǎn)物是212個氨基酸其蛋白產(chǎn)物中含有一個保守的F2box域。含有F2box的蛋白會選擇性的同其他蛋白結(jié)合形成復(fù)合體通過通用的蛋白水解途徑降解靶蛋白。114SPINDLY多效唑是一個GA生物合成途徑中的抑制劑可以阻斷擬南芥種子的萌發(fā)如果在種子萌發(fā)后噴灑它則會引起矮化。通過篩選對它產(chǎn)生抗性的

10、突變體得到了隱性基因spindy(spy)[15]這個基因介入了GA的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程?？寺PY基因后發(fā)現(xiàn)它的前半部分由10個四三共多肽(tetratricopeptiderepeatsTPRs)組成(圖2)這個區(qū)域的功能是蛋白和蛋白的相互作用區(qū)在組裝成多蛋白的復(fù)合體中起到腳手架的作用。由此可以將蛋白組裝成同源的或異源的復(fù)合體[24]。SPY的另一個區(qū)域是催化區(qū)這個區(qū)域是極為類似鼠和人的OGT(SerΠThrO2連接的2N2酰基葡萄糖轉(zhuǎn)移

11、酶)。動物OGT是一個核定位和細(xì)胞質(zhì)定位的酶它將GluNAc(N2酰基葡萄糖)從UDP2GluNAc轉(zhuǎn)移到核和細(xì)胞質(zhì)中的含有Ser和Π或Thr的蛋白上對靶蛋白上的SerΠThr基團(tuán)進(jìn)行糖基化而起到修飾作用[25]。圖2SPY的結(jié)構(gòu)Fig.2ThestructureofSPYprotein2GAs的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)模型根據(jù)雙突變體的表型分析可以確定了各個組成元件之間的上下游關(guān)系。在gidslr雙突變體其表型是slr表型這表明GID作用于SLR的上

12、游將spy和gai這兩個突變體雜交獲得的雙突變體為gai的表型說明SPY作用于GAI的上游。結(jié)合上述已克隆GA信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的基因的產(chǎn)物特征分析可以推出它們在信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用。以GAI為例可能的作用機(jī)理如圖2[11]。有GA信號時在野生型GAI中GAs與GAI相互作用使GAI的構(gòu)象發(fā)生變化去除阻遏狀態(tài)植株表現(xiàn)正常生長(圖3A)。在GA缺陷型中GA合成途徑發(fā)生突變植株內(nèi)缺少GAs。這時GAI是正常的但因為沒有充足的GAs與GAI的相互作用GA