遗传发育所发现参与植物赤霉素代谢的新成员

赤霉素(gibberellins,GAs)是一类非常重要的植物激素,参与许多植物生长发育等多个生物学过程。在开花植物中,13-羟化赤霉素(生理活性低,例如GA1)和13-氢赤霉素(生理活性高,例如GA4)经常是同时存在的。到目前为止,人们只是在水稻中鉴定到催化赤霉素13-羟化反应的P450酶(CYP714B1 和CYP714B2),而且CYP714B1和CYP714B2只是催化GA12的13-羟化,形成GA53(即13-OH GA12)。然而,其它植物中,包括拟南芥,负责赤霉素13-羟化反应的酶(编码基因)还不清楚。

最近,中国科学院遗传与发育生物学研究所王国栋研究组在十字花科和豆科植物中功能鉴定了负责赤霉素13-羟化反应的P450酶(属于CYP72A亚家族)。新鉴定的CYP72A酶,不同于水稻中的CYP714B,可以催化多种赤霉素(GA12, GA9和GA4)的13-羟基化,生成对应的13-OH 赤霉素(GA53, GA20 和GA1)。进一步的研究发现,拟南芥中的CYP72A9在种子中特异性高表达,cyp72a9突变体种子中内源GA1几乎检测不到,对应的GA4含量升高1-2倍。生理实验结果表明,CYP72A9通过调控低生理活性的GA1和高生理活性的GA4的比例,实现对种子初级休眠生理过程的调控:cyp72a9突变体种子比野生型表现出萌发更快,而且该生理功能在十字花科植物中保守。通过对各种转基因材料的内源赤霉素分析表明,水稻和拟南芥形成GA1的代谢途径不同:水稻中GA53通过多步氧化反应生成GA1,而在拟南芥中GA4在CYP72A9的作用下直接生成GA1。该项工作不仅是植物赤霉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)植物赤霉素代谢,进而调控植物(作物)的生长发育过程,提供了新的靶点。

该研究成果于9月16日在线发表于Nature Plants(DOI:10.1038/s41477-019-0544-z)。王国栋研究组贺娟为该文章第一作者。项目实施过程中得到遗传发育所植物激素检测平台的大力支持。该项目获得国家自然科学基金委、科技部重大研发计划项目和植物基因组学国家重点实验室的资助。

论文信息: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

遗传发育所发现参与植物赤霉素代谢的新成员

图: CYP72A 催化植物赤霉素的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。


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