遺傳發育所發現參與植物赤霉素代謝的新成員



  赤霉素(gibberellins,GAs)是一類非常重要的植物激素,參與許多植物生長發育等多個生物學過程。在開花植物中,13-羥化赤霉素(生理活性低,例如GA1)和13-氫赤霉素(生理活性高,例如GA4)經常是同時存在的。到目前為止,人們只是在水稻中鑒定到催化赤霉素13-羥化反應的P450酶(CYP714B1 和CYP714B2),而且CYP714B1和CYP714B2只是催化GA12的13-羥化,形成GA53(即13-OH GA12)。然而,其它植物中,包括擬南芥,負責赤霉素13-羥化反應的酶(編碼基因)還不清楚。

  最近,中國科學院遺傳與發育生物學研究所王國棟研究組在十字花科和豆科植物中功能鑒定了負責赤霉素13-羥化反應的P450酶(屬于CYP72A亞家族)。新鑒定的CYP72A酶,不同于水稻中的CYP714B,可以催化多種赤霉素(GA12, GA9和GA4)的13-羥基化,生成對應的13-OH 赤霉素(GA53, GA20 和GA1)。進一步的研究發現,擬南芥中的CYP72A9在種子中特異性高表達,cyp72a9突變體種子中內源GA1幾乎檢測不到,對應的GA4含量升高1-2倍。生理實驗結果表明,CYP72A9通過調控低生理活性的GA1和高生理活性的GA4的比例,實現對種子初級休眠生理過程的調控:cyp72a9突變體種子比野生型表現出萌發更快,而且該生理功能在十字花科植物中保守。通過對各種轉基因材料的內源赤霉素分析表明,水稻和擬南芥形成GA1的代謝途徑不同:水稻中GA53通過多步氧化反應生成GA1,而在擬南芥中GA4在CYP72A9的作用下直接生成GA1。該項工作不僅是植物赤霉素代謝領域一個新的突破,而且也為基因工程改造(結合基因編輯技術)植物赤霉素代謝,進而調控植物(作物)的生長發育過程,提供了新的靶點。

  該研究成果于9月16日在線發表于Nature Plants(DOI:10.1038/s41477-019-0544-z)。王國棟研究組賀娟為該文章第一作者。項目實施過程中得到遺傳發育所植物激素檢測平臺的大力支持。該項目獲得國家自然科學基金委、科技部重大研發計劃項目和植物基因組學國家重點實驗室的資助。

  論文信息:Juan He, Qingwen Chen, Peiyong Xin, Jia Yuan, Yihua Ma, Xuemei Wang,Meimei Xu, Jinfang Chu, Reuben J Peters, and Guodong Wang. CYP72A Enzymes Catalyze 13-Hydrolyzation of Gibberellins. Nature Plants. DOI:10.1038/s41477-019-0544-z

遺傳發育所發現參與植物赤霉素代謝的新成員

圖: CYP72A 催化植物赤霉素的13-羥化反應(圖A中紅色箭頭所示);(B)CYP72A參與調控擬南芥種子初級休眠過程。




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