摘要：赤霉素（Gibberellin, GA）作为一类重要的植物激素，在调控植物生长发育的多个关键过程中扮演着核心角色，例如种子萌发、茎秆伸长和开花等。然而，在众多赤霉素分子中，仅有少数（主要是GA1, GA4, GA3）具有生物活性。这些活性GA分子通过与受体GI
赤霉素（Gibberellin, GA）作为一类重要的植物激素，在调控植物生长发育的多个关键过程中扮演着核心角色，例如种子萌发、茎秆伸长和开花等。然而，在众多赤霉素分子中，仅有少数（主要是GA1, GA4, GA3）具有生物活性。这些活性GA分子通过与受体GID1结合，引发信号级联反应，最终导致DELLA蛋白（一类生长抑制因子）的降解，从而促进植物生长。因此，植物体内活性GA的水平受到一套精密调控系统的严格控制，该系统涉及GA的生物合成与失活，以确保植物对内外环境信号做出最佳响应。GA 3-氧化酶（GA3OX）是催化GA生物合成最后一步关键反应的酶，直接生成具有生物活性的GA分子。该酶通常由一个多基因家族编码，不同成员在不同物种或组织中可能经历了功能分化。小麦（Triticum aestivum L.）是全球最重要的粮食作物之一，其株高和籽粒大小（直接影响产量）是育种改良的关键目标性状，而GA代谢通路，特别是GA3OX基因家族在此过程中的具体作用机制仍有待深入阐明。了解这些基因的功能，有助于挖掘有利变异，为小麦遗传改良提供新的靶点和策略。
英国洛桑研究所 (Rothamsted Research) 的 Stephen Pearce 团队在《Journal of Experimental Botany》发表题为“GIBBERELLIN 3-OXIDASE genes regulate height and grain size in bread wheat”的论文，揭示了小麦中不同的赤霉素3-氧化酶（GA3OX）基因家族成员功能发生分化：GA3OX2在营养和生殖生长中起着必需且保守的作用，而GA3OX3和GA1OX1基因的变异则影响籽粒发育和赤霉素水平。
主要研究结果介绍
1. GA3OX2基因对小麦营养和生殖生长至关重要
研究团队利用化学诱变（EMS）方法，筛选并构建了小麦GA3OX2基因三个同源拷贝（位于A、B、D染色体组）均发生功能缺失突变的纯合体（ga3ox2）。与野生型（WT）'Cadenza'品种相比，ga3ox2突变体表现出极其严重的矮化表型，叶色深绿，分蘖数显著增多，生殖发育严重延迟，抽出的穗紧凑，小穗数显著减少，且完全不育（图2B, 2C, 2D, 2E）。对幼苗组织的GA含量测定显示，ga3ox2突变体中活性GA（GA1和GA4）含量极低，而其直接前体GA20以及GA20的失活产物GA29则显著积累（图2A）。这直接证明了GA3OX2在催化GA20生成GA1这一关键步骤中的核心作用。同时，转录组分析显示ga3ox2突变体中GA合成基因GA20OX1和GA20OX2表达上调，而GA失活基因GA2OX表达下调，符合GA水平降低后的反馈调节机制。通过对外源喷施活性GA3，ga3ox2突变体的株高和育性几乎能完全恢复至野生型水平（图2B），进一步证实了其表型是由GA缺乏引起的。携带任意两个GA3OX2同源基因突变的株系仅表现出轻微的株高降低，表明GA3OX2的三个同源基因在功能上存在冗余。综合来看，GA3OX2对于小麦正常的营养生长和生殖发育是必需的。
2. GA3OX3和GA1OX1基因的突变体创制
在'Cadenza'品种中，GA3OX3-D1基因天然存在一个7bp的插入，导致其编码无功能的蛋白。研究人员将携带GA3OX3-A1和GA3OX3-B1 EMS突变的株系进行杂交和回交，获得了这两个功能拷贝均突变的ga3ox3纯合体。另外，他们还获得了一个在GA1OX1-B1基因内含子2的3'剪接位点发生点突变的ga1ox1突变体株系。序列分析显示，GA3OX3-B1和GA1OX1-B1基因在小麦2B染色体上紧密连锁，物理距离仅约3.6 kb（补充图S4），这使得在同一遗传背景下评估它们各自的突变效应变得困难，因此ga3ox3和ga1ox1突变体被分开进行研究。
3. GA1OX1-B1和GA3OX3顺序作用催化小麦籽粒中GA54/GA55的合成
鉴于GA3OX3和GA1OX1基因主要在发育中的籽粒组织高表达，研究人员检测了开花后25天（DPA，籽粒灌浆高峰期）籽粒中的GA含量。野生型籽粒中积累了极高水平的GA54和GA55，同时GA61和GA60含量较低，这与GA3OX3和GA1OX1在13-OH和13-H两条GA合成支路上的活性相符（图3）。相比之下，ga3ox3突变体中GA54和GA55的含量微乎其微，而其底物GA61和GA60则大量积累，表明GA3OX3是催化GA61→GA54和GA60→GA55反应所必需的，且GA3OX3-B1拷贝贡献了主要的酶活性。ga1ox1突变体中GA54和GA55含量也显著降低，且检测不到GA60和GA61，证明GA1OX1是催化GA9→GA61和GA20→GA60反应所必需的（图3）。体外酶活实验进一步证实，重组的TaGA1OX1蛋白可以将GA9转化为GA61，将GA20转化为GA60，且对GA9的偏好性略高（补充表S6）。这些结果清晰地表明，小麦籽粒中存在一条独特的GA合成途径：由GA1OX1-B1和GA3OX3（主要是B1拷贝）编码的酶顺序催化，将GA9/GA20转化为GA54/GA55。对不同小麦及其祖先种的检测发现，GA54仅存在于六倍体普通小麦和四倍体硬粒小麦中，而在二倍体供体种（乌拉尔图小麦AA，粗山羊草DD）中未检测到（补充图S5），暗示该途径在多倍化过程中演化形成。比较13-H和13-OH途径的产物含量，发现13-H途径（GA9→GA61→GA54）在小麦籽粒中占主导地位（图3）。
4. GA3OX3和GA1OX1活性调控籽粒中的生物活性GA水平
除了影响GA54/GA55的合成，这两个基因也影响了最终活性产物GA1和GA4的水平。ga3ox3突变体籽粒中的GA1和GA4含量显著低于野生型（图3，补充表S5）。有趣的是，ga1ox1突变体籽粒中GA1和GA4含量则异常升高（图3），同时其GA前体（如GA9）和失活产物（如GA34）也显著积累。这表明，GA3OX3和GA1OX1的活性共同调节着籽粒中生物活性GA的最终浓度。
5. GA3OX3和GA1OX1活性调控籽粒发育和茎秆伸长
为了探究籽粒中GA水平变化对植株表型的影响，研究人员在2021年和2023年进行了田间试验。结果显示，与各自的野生型对照相比，ga1ox1突变体的籽粒显著更宽、更长、面积更大，但在千粒重（TGW）上的表现因年份而异；而ga3ox3突变体的籽粒则显著变窄，TGW也显著降低（图4A-D）。尽管籽粒大小有差异，但两个突变体在最终产量、单穗小穗数或穗粒数上与野生型相比均无显著差异（补充表S8）。出乎意料的是，这两个主要在籽粒中表达的基因突变却影响了植株的最终高度。ga3ox3突变体比野生型矮约3.0-4.5 cm，而ga1ox1突变体则比野生型高约1.2-10.7 cm（因年份和背景有差异）（图4E）。这些株高变化在温室条件下也得到验证（补充图S6）。进一步对茎秆各节间长度的测量表明，ga3ox3的矮化主要是由于基部四个节间的缩短，而穗长不受影响；ga1ox1的增高则主要源于穗、穗颈和倒一节间的显著伸长（图4F）。
6. 小麦GA3OX基因家族的遗传多样性分析
序列比对和分析显示，GA3OX2基因家族在小麦及其祖先中高度保守，三个同源拷贝都存在，氨基酸序列一致性超过96%，在包含1051份小麦地方品种和育成品种的Watkins核心种质资源中，多态性极低（补充图S7, S8, 表S2）。相比之下，GA3OX3和GA1OX1基因则表现出更高的遗传多样性。例如，GA3OX3-A1和GA3OX3-B1编码的蛋白仅有83.7%的氨基酸一致性。GA1OX1-B1的产生（通过串联复制）早于普通小麦的驯化。研究重点关注了功能上占主导地位且紧密连锁的GA3OX3-B1-GA1OX1-B1基因座的遗传变异。在Watkins种质中，该区域存在58种单倍型。通过分析三个代表性的Indel（插入缺失）变异位点，研究人员定义了5种主要的单倍型（H1-H5）（图5A, B）。其中，H1（三个区域均为缺失）最为常见，尤其是在现代小麦品种中占比高达78.6%，并且在多数祖先群体中也是优势单倍型（图5C）。H2（三个区域均存在）则在亚洲来源的地方品种以及祖先群体1和3中频率较高。关联分析表明，该基因座的单倍型变异与地方品种的籽粒宽度、面积、重量和产量显著相关（补充表S12）。携带H1单倍型的品种，平均而言，其籽粒更大、更重，产量也高于携带H2或H3单倍型的品种（图5D, E）。这暗示H1单倍型可能在现代育种过程中受到了正向选择。
全文总结与展望
本研究系统地解析了小麦中GA3OX基因家族三个主要成员（GA3OX2, GA3OX3, GA1OX1）的功能。研究明确了TaGA3OX2在小麦营养生长和生殖发育中不可或缺的基础性作用，其功能在禾本科作物中高度保守。更重要的是，研究揭示了小麦中存在一个由2B染色体上紧密连锁的TaGA1OX1-B1和TaGA3OX3-B1基因顺序催化的独特GA合成途径，该途径主要在发育中的籽粒中将GA9/GA20转化为GA54/GA55。这条途径的活性不仅影响籽粒中生物活性GA的水平，进而调控籽粒的大小和重量，还出人意料地影响了植株的最终株高。ga1ox1突变体（缺乏该途径）积累高水平活性GA，导致籽粒增大、株高增加；而ga3ox3突变体（缺乏该途径的第二步）则活性GA降低，导致籽粒变小、株高降低。这些发现揭示了小麦GA3OX基因家族内部显著的功能分化，并提示GA可能存在从发育中的籽粒向茎秆组织运输并影响其伸长的机制，虽然直接证据尚需补充。
本研究的意义在于：1）深化了对小麦GA代谢调控网络及其对关键农艺性状（株高、粒重）影响的理解；2）阐明了GA3OX3-B1-GA1OX1-B1基因座在小麦籽粒发育中的独特作用；3）发现了该基因座的自然变异（特别是H1单倍型）与籽粒性状和产量相关，并可能在现代育种中被选择，为利用基因编辑或分子标记辅助选择等手段进一步优化小麦株高和产量提供了新的靶点和遗传资源。未来的研究方向可包括：深入探究GA在籽粒与茎秆间的运输机制；解析不同单倍型引起功能差异的具体分子机制（是编码区变异影响酶活，还是调控区变异影响表达模式）；评估罕见单倍型（如H4, H5）在不同环境下的育种潜力；探索是否能发掘到具有农艺应用价值的温和型ga3ox2等位基因。
研究团队与资助
该研究由英国洛桑研究所的 Andrew L. Phillips¹ 和 Stephen Pearce¹*（通讯作者）领导完成，合作单位包括捷克科学院实验植物研究所生长调节剂实验室。研究得到了英国生物技术与生物科学研究理事会（BBSRC）的可持续小麦交付计划和未来小麦设计计划，以及欧洲区域发展基金项目（TowArd Next GENeration of Crops）的资助。
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来源：新浪财经
