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王国栋研究组发现参与植物赤霉素代谢的新成员

  赤霉素(gibberellinsGAs)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 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,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 GA4)的13-羟基化,生成对应的13-OH 赤霉素 GA53, GA20 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,而且该生理功能再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GA4CYP72A9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2019916日在线发表于Nature PlantsDOI10.1038/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皇冠hg6686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。 

 

  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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