赤霉素的矮化作用及在草坪草育种中应用展望

2008/5/4 10:19:45

   赤霉素(gibberellins，GAs)是五类植物激素之一。是存在于植物体内的一大类四环二萜类化合物，至今已发现100多种，总称赤霉素类(GAs)t 1。其中只有少数赤霉素具有生物活性．能作用于高等植物的整个生命周期。它有许多与植物生长和发育相关的生理功能。如诱导Ot一淀粉酶的形成、促进禾谷类种子萌发、促进节间和叶片伸长、促使茎的伸长和植株增高、促进花器官形成和孤雌生殖及果实形成等。但大多数植物体内的活性GAs以GA1或GA4为主。中间产物和非活性GAs(结合态GAs1有几十种。GA类似物、GA合成抑制剂在农作物和观赏植物上有多种用途，已发挥重要的作用。草坪具有绿化美化、水土保持、调节小气候、观赏和运动等功能．对于居民休憩、娱乐及景观等具有举足轻重的作用。目前。北京已建植草坪4 000公顷．年增250多公顷．为北京的环境美化和首都人民生活质量的提高发挥了重要作用。然而。草坪修剪与灌溉等耗费了大量的人力和物力。常30％一40％的管理费用于草坪草修剪。矮化的草坪草以其低修剪率、低耗水率而受到越来越多的重视。逐渐成为草坪草育种工作的一个方向。首先讨论赤霉素的植物矮化作用。其次探讨赤霉素在草坪草矮化育种中的应用前景。
1 赤霉素的矮化作用
GA是调节和控制植物生长最基本的一种内源激素，与GA有关的矮化突变可分为两类，合成型突变体和非应答型突变体 。
1．1 合成型矮化突变体
合成型突变体在于抑制、阻碍了激素的生物合成和代谢步骤，使得内源GA缺乏或痕量存在。合成型突变体叉分为两类：GA缺陷型和GA失活型。绝大部分的突变体属于GA缺陷型，呈明显的矮化。其体内GAs的含量显著降低。外施GA可恢复正常型特征， 。如水稻突变体d 和豌豆突变体le表现出GA缺乏表型，呈现明显畸矮、叶片深绿突变型，能抑制GAs对糊粉层中仪．淀粉酶基因的诱导表达；d 突变体的节间伸长对活性GA的敏感性较野生型植株弱100倍。现在已经分离到了d 基因．通过克隆和序列分析证明它编码参于GA生物
合成过程中的一个酶．GA20 氧化酶(GA20ox)。GA20．氧化酶属于可溶性个双加氧酶，能催化GA生物合成中倒数第二步的从C∞氧化到C。 ．GAs结构的形成[I3】。已从西瓜、拟南芥、水稻、菠菜、豌豆、南瓜、烟草等植物中克隆出GA20．氧化酶基因的cDNA。各种植物的GA20．氧化酶是由小的多基因家族编码的，其氨基酸序列在不相关的物种中同源
性不高，为50％一60％，而基因家庭成员有65％一85％的同源性。比较几种植物的GA20．氧化酶氨基酸序列发现。它们都有一些共同的保守基元，如与结合2．酮戊二酸有关的保守一致序列NYYPX．CQKP。保守的H和D残基、LPWKET基元(与GA底物结合有关)[181。GA20．氧化酶是严格调控的酶，既受反馈调节。又受光周期调节。GA合成受损的拟南芥矮化突变体中积累的GA20．氧化酶比野生型的还要多。外施有活性的GA。此mRNA水平就下降。同样情况也在豌豆中发生。很少突变属于GA失活型。株高明显增加，其体内GA含量过高，外施GA合成抑制剂将显著降低株高。Carrera等克隆了马铃薯的3种GA20．氧化酶基因，即StGA20oxl，StGA20ox2，StGA20ox3，马铃薯的gal突变体(13羟基化步骤被阻断)积累较高的GA20．氧化酶转录本，外施GA3后，3种酶表达在马铃薯gal突变体内大幅度减少：用GA合成抑制剂处理野生型马铃薯，会增加StGA20oxl 和 StGA20ox3的转录丰
度，说明GA20．氧化酶是受反馈机制调节的。另外，GA的生物合成中还存在灭活机制。另一个依赖于2．酮戊二酸的双加氧酶GA213羟基化酶(GA2．氧化酶)能使C．2位发生羟基化而灭活GAs分子，从而使活性的GAs灭活并最终使代谢终止。
1．2 非应答型矮化突变体
GA非应答型矮化突变体其突变体表现出GA合成缺陷型矮化，但体内含有大量有生物活性的GAs。这似乎是矛盾的。因为茎的伸长通常是由有活性的GA量来控制的，然而它正揭示了GA的应答和GA的生活合成之间的关系。这些矮化突变体不能响应GA，也不会降低GA的生物合成，说明这些基因在正常的情况下很可能参与了GA信号的接收或传递过程，其矮化的根本原因可能是信号传导过程中断。GA非应答型矮化突变体又分2种亚型，即隐性GA非应答型矮化突变体和半显性的GA非应答型矮化突变体，二者相应的突变基因编码GA．信号传导的正调节因子。
1．2．1 隐性GA非应答型矮化突变体 隐性GA非应答型矮化突变体如水稻的突变体(d )、大麦的突变体(gse)、拟南芥突变体(s 1、pk1)呈半畸矮表型．外源GAs处理不能恢复这些突变体茎的伸长。d 和gse突变体抑制了活性GAs对糊粉层细胞中的仪．淀粉酶基因的诱导表达。研究发现d 基因编码异源三聚体G蛋白的仪．亚单位。复合蛋白仪．亚单位的突变导致信号传导中断，使GAs不能发挥正常作用，而使植物矮化。
1．2．2 半显性的GA非应答型矮化突变体在半显性的GA的非应答突变体中。如小麦的R (R ．和R ．D )。玉米的D8和D9及拟南芥的GAI，这些容、变体内积累了较高水平的活性GA1，说明突变体破坏了GA的信号传导。而通过正反馈作用来调节GA的生物合成．这些基因对GA作用不敏。Rht、D8、GAI和RGA是GRAS蛋白质家族的成员。GRAS家族蛋白质具有转录因子的功能，现在已有33个G 成员被克隆。这个蛋白的亚组成员在N端有两个保守区，其中包括由27个氨基酸构成的基序，即“DELLA”保守基元，“DEUA”结构域的缺失导致拟南芥、玉米的半显性矮突变。Peng等(1999)的研究也表明因Rht．B1和Rht．D等位基因发碱基置换，而在“DELLA ”区产生终止密码子，而导致小麦的矮化突变。由此可见，Rht、D8、GAI等蛋白质具有GA信号传导负调节因子的作用，这些蛋白如果在N 端存在，GA则可通过抑制这些蛋白的功能而行使矮化作用。
2 在草坪草育种中的应用前景
2．1 草坪草GA 突变体的筛选
如前所述，与GA有关的矮化突变体有非应答型矮化突变体和合成型矮化突变体，可以人为的大量喷施有生物活性的赤霉素，使GA在植物体内过量表达，以期产生矮化突变体。在自然界中，由于植物生存环境的变化，植物为适应新的环境可能做出相应的变化，有时会产生矮化表型，可以选育这种表型来育成矮化品种。同时我们也可以用物理化学的方法来创造突变体，可以用飞船搭载草坪草种子产生变异，也可以利用 、X、p、中子、无线电微波、激光、紫外线等照射草坪草的种子、花粉、植株、培养组织或其他器官。使其遗传物质发生改变产生各种变异，在发生变异的个体中选择矮化突变体培育成新品，应用于生产实践。
2．2 利用现有的矮化基因改良草坪草品种
利用基因工程手段培育和改良植物品种是一种便捷和实用的途径。近几年，由于国家的西部大开发战略的实施以及生态环境的保护需要，培育优质的的草坪草品种成为研究的热点问题。目前，多年生黑麦草、草地早熟禾、高羊茅、结缕草、狗牙根等草坪草的遗传转化体系已基本成熟，并且已成功的通过转基因技术获得了一批具有抗性草坪草植
株，但是还未见把矮化基因转化到草坪草中的报道。20世纪以“高产良种、化肥，灌溉、农药”四大技术为动力掀起的农业中的“绿色革命”是农业史上的伟大事件。而粮食作物中矮化基因的利用，在这次革命中起着重要的作用。迄今，绿色革命中所应用的小麦和水稻半矮杆性状基因已克隆和鉴定。这些基因都与GA 的生物合成和信号传导有
关。基于草坪草不同于粮食作物的特殊性，我们可以利用现已成熟的转基因体系把如Rht、D8、D9、GA1等矮化基因转化到草坪草中，培育成矮化品种，从而降低修剪强度，以节省草坪养护成本。
2．3 通过基因克隆技术改良现有的草坪草品种近年来，随着分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、生理生化等学科的发展，已经掌握了大量有关植物优良性状基因的生物学和遗传学特性，并且这些基因已在染色体上定位。特别是进入20世纪80年代以后，由于寡核苷酸合成技术的改良、RNA和DNA操作技术的完善、酶学方面的进步，尤其是PCR技术的快速发展，人们分离基因技术的能力和范围得到进一步的提高，现在已经克隆出了与植物抗病、抗逆、抗虫、抗除草剂、育性，优质、及发育等相关基因。经过20多年的发展，植物基因克隆技术已基本完善。
最近几年，几乎所有编码GA合成过程中的酶基因都被克隆出来了，其中豌豆、拟南芥、玉米和水稻中GA缺陷型的研究最为详尽，这几种植物的GA生物合成基因的许多位点已被鉴定，而且获得了部分与其相关的突变体 。GA生物合成是受反馈抑制控制的，反馈机理主要表现在控制编码GA20．氧化酶和GA3 B羟基化酶两个基因的表达水平。在许多植物GA缺乏的矮生突变体中都具有异常高水平的生物活性GA(C GA)，相反细长型突变体的生物活性GA却相当低，当外源施入有生物活性的GA时，豌豆矮生突变体(3．B羟基化酶被损害)内源大量存在的C旷GA大大减少，而C加．GA则增加：在南瓜中过量表达的GA．20氧化酶产生极度矮化的植物。而严远鑫等通过水稻GA20．氧化酶基因的正义和反义转化，导致了转基因水稻茎杆的增高和矮化。本实验室利用简并PCR技术已从结缕草中克隆到GA20．氧化酶基因，构建了正义和反义表达载体，并转化到我国南北方广泛应用的冷季型草坪草高羊茅中，以期获得矮化的高羊茅新品种。这将有可能人为地控制植物激素在草坪草体内的合成。同时可以更深入地研究赤霉素的作用机理。更重要的是筛选矮化的转基因草坪草植株以便形成品种。从而省去外施激素和修剪所耗费的人力和物力，这将具有很大的经济效益。

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