水稻矮化与赤霉素代谢及其信号转导通路相关基因的研究-熊毅

水稻矮化与赤霉素信号转导通路相关基因的研究熊毅（12生技2班）摘要：研究表明水稻矮化与赤霉素（GA）、油菜素内酯（BR）有关，两类激素的代谢、信号转导途径受阻会影响株高。而途径相关的不同基因的突变、复等位基因对水稻的生长、形态建立产生不同的影响，大部分突变会影响水稻的产量。本文从赤霉素信号转导方面对水稻矮化相关研究进行概述。关键词：水稻矮化；赤霉素（GA）；代谢途径；信号传导引言矮秆水稻的培育成功,引发了全球水稻生产的第一次绿色革命。20世纪30年代末,日本开始粳稻品种的矮化育种研究,先后育成一批中秆、矮秆水稻品种。50年代末60年代初找到半矮生基因sd1（GA20氧化酶基因发生突变）,育成了综合性状好的抗倒水稻品种,使水稻产量实现了巨大突破【1】。目前,发现的水稻矮杆突变体多达80多种。这些突变涉及赤霉素（GA）、油菜素内酯（BR）代谢途径、信号转导途径，而这些突变中大多数没有育种价值，它们对构成水稻产量的穗数、粒数和粒重3因子中某1个或2个性状,均产生不良的多效作用【2】。因此，寻找有育种价值的矮化突变体至关重要。为了较深入地对水稻矮化机理的了解，本文对赤霉素信号转导途径相关的矮化突变体与其突变基因进行综述。1、水稻矮化突变体分类水稻矮化基因遗传主要有两种类型:一类由单基因控制的质量性状遗传,另一类由多基因控制的数量性状遗传,多数矮化突变体由一对隐性基因控制。1986年日本水稻基因连锁群和命名委员会(TheJapaneseCommitteeonNomenclatureandLinkageGroupsofRiceGene)将矮秆基因及少数半矮秆基因统一以d为符号,根据矮秆基因被鉴定的时间顺序从1往后排。半矮秆基因以sd命名【3】。植物激素矮化突变体分为两类:缺陷型和钝感型。激素缺陷型矮化突变体是活性激素的生物合成途径被抑制或阻断,使得植物体内源活性激素缺乏或含量较低,这类突变体外源施加相应的活性激素后可恢复野生型表型;激素钝感型矮化突变体,其内源活性激素水平变化不大,有时甚至比野生型的还高,这种矮化表型的突变体在外施相应的活性激素后不能恢复野生型表型。【2】如下表：2、赤霉素信号传导途径首先,DELLA蛋白与调控植物生长的相关转录因子结合抑制植物生长,SPY(spindly)能够增强DELLA蛋白的抑制作用,在此过程中SPY通过N-乙酰氨基葡萄糖胺修饰(GlcNAc-modification)后能够激活DELLA蛋白，而水稻中的一种酪蛋白激酶EL1(earlierflowering1)能够磷酸化激活DELLA蛋白,在赤霉素信号转导中也具有抑制作用;然后GID1与赤霉素结合形成二聚体,GA-GID1同DELLA结合形成三聚体。三聚体的形成减弱了DELLA蛋白对植物生长的抑制效应,促进DELLA同一种特殊的泛素E3连接酶复合体(SCFSLY1/GID2)结合,使得DELLA蛋白发生聚泛素化随之被26S蛋白酶降解。DELLA蛋白降解,解除了对植物生长的抑制,在植株上产生赤霉素作用，调控种子萌发、茎的伸长、花粉成熟、以及植物从营养生长转入生殖生长等植物生理过程。【4】基因位点表型特征染色体基因产物信号通路Sd1（缺陷型）半矮秆1GA20氧化酶赤霉素合成途径d1（钝感型)矮秆5GTP结合蛋白α亚基赤霉素信号转导途径d35（缺陷型）矮秆6内根-贝壳杉烯氧化酶赤霉素合成途径gid1(钝感型)矮秆2GA受体赤霉素信号转导途径gid2(钝感型)矮秆1SCFE3：F-box亚基赤霉素信号转导途径OsSpy(钝感型)细长秆/矮秆8乙酰氨基葡糖转移酶赤霉素信号转导途径3、赤霉素信号传导途径相关的突变体3.1赤霉素受体GID1Ueguchi-Tanaka等(2005)在水稻中鉴定了一种赤霉素不敏感的矮化突变体gid1,而GID1过量表达则会导致赤霉素超敏感的表型。GID1基因编码一种未知蛋白,定位在核内。GST-GID1与生物活性的GA有很强的亲和性,而三种gid1突变位点所对应的GST-GID1却没有赤霉素结合活性。酵母双杂实验表明GID1能与水稻的DELLA蛋白SLR1相作用。GID1在水稻中作为一种可溶性的受体介导赤霉素信号传导,它在与活性的GAs结合感知赤霉素信号后,将信号传递到DELLA蛋白,从而诱发一系列下游反应。【5】3.2DELLA蛋白DELLA蛋白是指一类C端非常保守,N端具有DELLA(Asp-Glu-Leu-Leu-Ala)结构域的蛋白质家族。在DELLA蛋白的氨基酸序列中,N端呈现多样性,但存在DELLA和VHYNP两个非常保守的酸性结构域,中部有一个核定位信号结构域(NLS)RKVATYFGLARR,其后有一个保守氨基酸结构域VHIID和亮氨酸重复序列LZ。Itoh等(2002)用水稻SLR1(slenderrice1)基因的不同核苷酸缺失突变体分析了DELLA蛋白不同保守结构域的功能。认为DELLA与TVHYNP结构是赤霉素信号感知结构域,polyS/T/V(丝氨酸、苏氨酸、缬氨酸富集区)是调节结构域,LZ是二聚化结构域,C端的VHIID、SH2和SAW等结构是阻遏结构域。【4】依据AtGID1s-DELLA的相互作用可将拟南芥中的5种DELLA蛋白分成两类:一类是跟AtGID1b亲和性较高的GAI(GA-insensitive）和RGA(repressorofga1-3),另一类是RGL1(RGA-like1)、RGL2和RGL3,它们与AtGID1a具有较强亲和力。【4】GAI(GA-insensitive）具有抑制茎伸长的作用RGA(repressorofga1-3)具有抑制成花和生育的作用;具有抑制茎伸长的作用;种子萌发中具有抑制作用RGL1(RGA-like1)具有抑制成花和生育的作用;具有抑制茎伸长的作用RGL2具有抑制成花和生育的作用;种子萌发中具有抑制作用RGL3种子萌发中具有抑制作用3.2.1DELLA蛋白的抑制作用DELLA蛋白位于细胞核中,通过阻遏基因的转录,抑制植物生长发育。对多种植物激素,如赤霉素、生长素、乙烯、脱落酸和茉莉酸等的信号转导过程都具有抑制作用。DELLA蛋白除了对植物生长发育具有抑制作用外,还有其他重要功能。它在多种植物激素信号和环境信号交流中具有重要的整合作用,能够提高植物对环境的适应能力。4、SCF复合体SCF复合体是E3连接酶中具有RING结构域的一类多亚基复合体。它主要由四个元件组成,分别是一个Skp1(S-phasekinase-associated-protein1)亚基(植物中多为ASK)、一个Cullin1(CUL1)亚基,一个带有特殊标记的F-box蛋白以及一个包含环指(RING-finger)的Rbx1亚基。其中,F-box蛋白是SCFE3泛素连接酶复合体的重要组成元件,如水稻中的GID2(下图a)和拟南芥中的SLY1,在赤霉素信号转导中,标记在DELLA蛋白上,促进DELLA蛋白的降解。【7】在泛素蛋白酶ItohH,Ueguchi-TanakaM,SatoY,AshikariM,MatsuokaM(2002).GrossMorphologiesof10-Day-OldWild-TypeandTransgenicSeedlingsOverproducingtheTruncatedSLR1-GFPProteinswithGA3Treatment([I]to[P])orNontreatment([A]to[H]).Plantsweregrownfor6daysundernormalconditionsandthentreatedwithorwithout100μMGA3foranother4days.BecauseΔDELLA,Δspace,ΔTVHYNP,andΔpolyS/T/Vtransgenicplantsshowedaseveredwarfphenotypeandneverproducedanyfertileflowers,weusedT1generationplantsfortheanalyses.Asterisksin(I),(J),(N),(O),and(P)showthetopoftheelongatedfourthleafsheath.Bars=1cm.【6】途径中,它标记在DELLA蛋白上促进DELLA蛋白发生聚泛素化进而降解,解除了DELLA蛋白对植物生长的抑制作用,植物产生赤霉素效应。SasakiA,etal(2003).Here,wereportthattheGA-insensitivephenotypeofgid2iscausedbythelossoffunctionofaputativeF-boxprotein.Thegid2mutantshowedaseveredwarfphenotypewithwideleafbladesanddarkgreenleaves(Fig.1A),featurestypicalofGA-relatedmutantssuchasd1andd18(13,14).Thegid2-1/slr1-1doublemutantsshowedaslenderphenotypeidenticaltothatoftheslr1-1singlemutant(Fig.1A),5、存在问题与展望赤霉素信号传导途径还未研究得足够清楚，途径中的相关基因、蛋白质结构、相互作用还未详细。在现有研究下，信号途径矮化突变体的育种价值不大。水稻矮化突变基因育种利用主要是sd1,遗传单一【8】。应充分研究清楚赤霉素的作用机理，找出可育种的矮化基因。[1]SasakiA,AshikariM,Ueguchi-TanakaM,ItohH,NishimuraA,SwapanD,IshiyamaK,SaitoT,KobayashiM,KhushGS,KitanoH,MatsuokaM.Greenrevolution:Amutantgibberel-lin-synthesisgeneinrice.Nature,2002,416(6882):701–702.[2]于永红,斯华敏.水稻矮化相关基因的研究进展.植物遗传资源学报2005,6(3):344～347.[3]ChoYG,EunMY,McCouchSR,etal.Thesemidwarfgene,sd-1,ofrice(OryzasativaL.)ⅡMolecularmappingandmarker-assistedselection.TheorApplGenet,1994,89:54～59[4]岳川,曾建明,曹红利,王新超,章志芳.高等植物赤霉素代谢及其信号转导通路.植物生理学报2012,48(2):118~128|[5]黄先忠,蒋才富,廖立力,傅向东.赤霉素作用机理的分子基础与调控模式研究进展.植物学通报2006,23(5):499~510[6]ItohH,Ueguchi-TanakaM,SatoY,AshikariM,MatsuokaM(2002).ThegibberellinssignalingpathwayisregulatedbytheappearanceanddisappearanceofSLENDERRICEIinnuclei.PlantCell,14:57~70[7]SasakiA,ItohH,GomiK,Ueguchi-TanakaM,IshiyamaK,KobayashiM,JeongDH,AnG,KitanoH,AshikariMetal(2003).AccumulationofphosphorylatedrepressorforgibberellinsignalinginanF-boxmutant.Science,299:1896~1898[8]胡兴明.水稻矮秆DWARF1_Like基因的精细定位.中国农科学院.硕士学位论文[9]陈华夏,周成博,邢永忠.水稻Dwarf1移码突变的新突变体鉴定.HEREDITAS(Beijing)2011年4月,33(4):397―