高等植物赤霉素生物合成及其调节研究进展.pdf

植物学通报2001,18(3):303~307
Chinese Bulletin of Botany
高等植物赤霉素生物合成及其调节研究进展
钟希琼王惠珍
佛山科学技术学院农学系佛山528231)
摘要主要介绍近年来高等植物中生物活性GAs的生物合成,拟南芥CA生物合成途径中关键酶基因
(CA1-CG43)的克降和CA基因CYP7O1A3在隊呼( Saccharomyces cereuisiae)中的成功表达。评述了活性GAs
对赤霉素生物合成的反馈抑制作用和反馈调节中信号的传递和接收问题。高等植物中光周期对CA生
物合成的调节主要是在20-氧化和/或3羟基化步骤。
关键词赤霉素,棊因克隆,生物合成的调节,进展
Progress on GA Biosynthesis and Regulation
in Higher Plants
ZHONG Xi-qiong WANG Hui-zhen
Department of Agronomy, Foshan College of Science and Technology, Foshan 528231)
Abstract This article reviews the biosynthesis of bioactive GAS in higher plants, the cloning of
genes encoding GA biosynthetic enzymes in Arabidopsis, and the successful expression of GA3 gene
CYP701 A3 in yeast(Saccharomyces cereuisiae ) The feedback inhibition of GA biosysthesis by ac
tive GAS and the signal transduction and reception in feedback re ulation are described. GA20-OXI
dation and/or 3b-hydroxy lation are the main steps controled by photoperiod in GA biosynthesis in
higher plants
Key words Gibberellins, Gene clone, Regulation of biosynthesis, Progress
赤霉素( gibberellins,简称CAs)是植物生长发育过程中一类重要的调节激素,对种子
萌发、茎叶生长、抽苔座果和块茎形成等有明显的调节作用,在农业生产上得到广泛应用
80年代以来,随着气相色谱-质谱联用技术(CC-MS)和同位素示踪技术的应用,对赤霉素
的种类、结构和合成途径等获得了较深入的了解。近年来植物分子遗传学的发展,使植物
激素的研究逐步向分子水平深入。本文主要介绍近年来高等植物GA生物合成及其调节
分子生物学方面的研究进展
1GA的生物合成
赤霉素的生物合成途径已基本确定( Mac Millan,1997)。CAs是类二萜途径的产物,它
们的形成由共同的C前体口牛儿口牛儿焦磷酸(cCrP)的环化开始。CCP环化形成
种碳氢化合物,内-贝壳杉烯(ent- Kaurene),由玷吧焦磷酸合成晦(CPS)和内-贝壳杉烯合
成酶(KS)催化。内-贝売杉烯通过一系列由CuP450单加氧醇和双加氧酶催化的氧化反
①作者简介:钟希琼(1965),女,江西人,1989年华南农业人学毕业,,副教授。研究方向:4:物化学,植物生理
学。三惠珍(1963),女,江苏人,1986年南京农业人学毕业,在读士研究生,讲师。研究方向:植物学,植物分了
遗传学。
收稿冂:200005-16接受门則:20001-20责仟编辑:姜联合
植物学通报
18卷
应转化成生物活性GAs(图1, Hedden and Proebsting,19909
甲瓦龙酸(MVA
CA生物合成的最新研究进展来自于编
码生物合成晦的基因的克隆和GA缺陷、GA
牛儿牻牛儿焦磷酸(GGPP
不敏感突变体的研究。植物激素突变体是
GA
↓-CPS
研究植物激素合成、代谢途径以及信号传导
毡肥焦磷酸(CPP
的重要植物材料(韩碧文,1993)。许多种植
物都有CA缺陷突变体,其中豌豆、拟南芥
2
↓-KS
内-贝壳杉烯
和玉米中CA缺陷型的研究最为详尽,这几
GA 3
↓↓ー内-贝壳杉烯氧化醇
种植物的GA生物合成基因的许多位点己
内贝壳杉烯酸
被鉴定。到目前为止,生物活性GAs合成
中大约一半的基因已经被分离出来( Hedden
内-7a-羟基贝壳杉烯酸
and Kamiya,1997; lange,1998)。拟南芥5个
最初的突变位点(ga-gqS)已被克隆。通过
GA12-7-
导入来自野生型植物的基因,拟南芥突变体
的生长会恢复正常,这为克隆的基因与突变
CA13-经基化酶
GA2
GA
位点相一致提供了证据。它们是:A编码
G454-G20-氧化酶→4も玷型焦酸合成( Sun and Kamiya,199
GAG
GAn是GA生物合成途径中第一个酶,在前质体
てAa-cA3B-羟基化酶→!中表现活性,受到严格调节( Aach et a/,
GA
GA、199):G42编码一种90kD的蛋白质,即内
!-GA2B-羟基化酶→↓贝壳杉烯合成( Yamaguchi et a/,198a);
GA
GAsG43包含6个内含子和1个1678bp的开放
读框,编码一种58.1kD的蛋白质一一内
图1GA生物合成途径(从GCP到生物活性
产物GA4和GA1)( Hedden and Proebsling,199
贝売杉烯氧化醇,是依赖CytP450的单加氧
CA1-G15:拟南芥的5个突变位点,编码相应酶晦( Helliwell et al,1998);GA4包含1个带单
的基因已被克降。
内含子的开放读框,编码一种40.2kD的
蛋白质3-羟基化酶,是依赖2-酮戊二酸的双加氧( Chiang et al,1995; Williams et al,
1998);G4包含2个内含子和1个1131bp的开放读框,编码一种43.4kD的蛋白质
20-氧化酶( Xu et al,1995(见图1)。拟南芥中CPS、KS和内-贝壳杉烯氧化晦为单基因调
控,而GA20-氧化晦和GA3-羟基化嗨为多基因调控。
Helliwell等(1999首次成功地将拟南芥A3基因CYP7O1A3在隊母( Saccharomyces
cerevisiae)中表达出来,并通过GC-MS检测出转化酵母细胞代谢内-贝売杉烯的能力。再次
证实单一种酶:内-贝壳杉烯氧化酶催化了赤霉素生物合成中从内-贝売杉烯→内-贝壳彬
烯醇→内-贝売杉烯醛→内-贝壳杉烯酸的三步反应。 Helliwell等(1999)认为酵母是分析
CA生物合成酶作用的一种合适体系,而且完整酵毋细胞比细胞的纯化微粒体碎片更好,
内-贝壳杉烯氧化嗨在微粒体制剂中可能并不稳定。而另一个玉米 Duary3基因也已被分
离( Winkler and Helentjaris,195),编码Cy