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王國棟研究組發現參與植物赤黴素代謝的新成員

  赤黴素(gibberellinsGAs)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-羟化赤黴素(生理活性低,例如GA1)和13-氢赤黴素(生理活性高,例如GA4)經常是同時存在的。到目前爲止,人們只是在水稻中鑒定到催化赤黴素13-羟化反應的P450酶(CYP714B1 CYP714B2),而且CYP714B1 CYP714B2只是催化GA1213-羟化,形成GA53 (即13-OH GA12)。然而,其它植物中,包括擬南芥,負責赤黴素13-羟化反應的酶(编码基因)还不清楚。 

 

  最近,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黴素13-羟化反應的P450酶(屬于CYP72A亞家族)。新鑒定的CYP72A酶,不同于水稻中的CYP714B,可以催化多种赤黴素(GA12, GA9 GA4)的13-羟基化,生成對應的13-OH 赤黴素 GA53, GA20 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突变体种子比野生型表现出萌发更快,而且该生理功能再十字花科植物中保守。通过对各种转基因材料的内源赤黴素分析表明,水稻和拟南芥形成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GA4CYP72A9的作用下直接生成GA1。该项工作不仅是植物赤黴素代谢领域一个新的突破 ,而且也为基因工程改造(结合基因编辑技术)植物赤黴素代谢,进而调控植物(作物)的生长发育过程,提供了新的靶点。 

 

  該研究成果于2019916日在線發表于Nature PlantsDOI10.1038/s41477-019-0544-z)。王國棟研究組賀娟爲該文章第一作者。項目實施過程中得到遺傳發育所植物激素檢測平台的大力支持。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。 

 

  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 

 

图: CYP72A 催化植物赤黴素的13-羟化反应(图A中红色箭头所示),(B)CYP72A参与调控拟南芥种子初级休眠过程。