植物GH3基因家族生物学功能研究进展
园园, 恩和巴雅尔, 齐艳华
植物学报
2023, 58 ( 5):
770-782.
DOI: 10.11983/CBB22263
植物生长素早期响应基因GH3编码的酰胺合酶催化生长素、茉莉酸及苯甲酸衍生物与氨基酸结合, 形成相应的氨基酸复合物。当植物体内生长素浓度过高时, GH3蛋白催化生长素与氨基酸结合, 形成的复合物作为生长素贮存库。当生长素浓度过低时, 生长素-氨基酸复合物被蛋白水解酶水解为生长素, 重新参与生长素信号通路, 从而调控植物体内生长素动态平衡。当植物受到生物或非生物胁迫时, GH3蛋白催化茉莉酸和水杨酸与氨基酸结合, 参与植物胁迫响应。该文从GH3蛋白结构、GH3基因家族分类及其生物学功能方面总结了双子叶模式植物拟南芥(Arabidopsis thaliana)、单子叶模式植物水稻(Oryza sativa)及其它植物中GH3基因的研究进展, 为植物GH3基因家族的深入研究提供参考。
| 基因编号 | 基因名称 | 功能 | 参考文献 | | LOC_Os01g57610.1 | OsGH3.1/LC1 | 调控株型, 参与油菜素内酯(BL)信号途径与抗病性 | Domingo et al., 2009; Zhao et al., 2013 | | LOC_Os01g55940.1 | OsGH3.2 | 调控株型和根系发育, 响应低温和干旱胁迫 | Du et al., 2012; Liu et al., 2022 | | LOC_Os01g12160.1 | OsGH3.3 | 参与茉莉酸(JA)信号转导途径 | Hui et al., 2019 | | LOC_Os05g50890.1 | OsGH3.5/OsJAR1 | 调控水稻株高和叶夹角, 参与光信号途径 | Riemann et al., 2008; Zhang et al., 2015 | | LOC_Os05g05180.2 | OsGH3.6 | 参与JA信号转导途径 | Hui et al., 2019 | | LOC_Os07g40290.1 | OsGH3.8 | 调控株型及根系发育, 影响种子发芽率和可育性, 参与抗病性 | Ding et al., 2008 | | LOC_Os11g08340.1 | OsGH3.12 | 参与JA信号转导途径 | Hui et al., 2019 | | LOC_Os11g32520.1 | OsGH3.13 | 调控株型及根系发育, 响应干旱胁迫 | Zhang et al., 2009 |
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表2
水稻GH3基因的生物学功能
正文中引用本图/表的段落
水稻GH3家族13个基因分2个亚家族, OsGH3.3、OsGH3.5、OsGH3.6和OsGH3.12属于亚家族I, 其余GH3基因属于亚家族II。目前水稻GH3家族基因的生物学功能相继被揭示, 研究表明GH3基因在水稻生长发育、胁迫响应以及基础免疫等方面起作用(表2; 图4)。
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因。王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小。SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017)。在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017)。番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020)。
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
在茄科植物番茄中鉴定到15个GH3家族基因.王慧敏(2015)研究发现, 与野生型相比, SlGH3.2过表达株系明显矮化, 结实率低, 且种子显著变小.SlGH3.4过表达株系根中游离IAA浓度降低, 显著抑制菌根共生和一些生长素响应基因表达, 同时丛枝表现为生长素缺陷的发育畸形(陈潇, 2017).在番茄中过表达SlGH3.15基因, 过表达株系表现出由节间距缩短所致的矮化、叶片卷曲及侧根变少, 且过表达植株体内游离IAA含量减少(艾国, 2017).番茄YABBY2b转录因子直接结合SlGH3.8启动子并抑制其表达, 正调控植物生长; yabby2b突变体表现出矮化和较小的花和果实, 表明SlGH3.8负调控植物的生长发育(Sun et al., 2020). ...
本文的其它图/表
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图1
茉莉酸信号转导通路(参考李梦莎和阎秀峰, 2014; Lee et al., 2022)
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图2
植物体内生长素(IAA)动态平衡(参考Hagen and Guilfoyle, 2002; Woodward and Bartel, 2005)
(A) IAA浓度较高时, ARF与Aux/IAAs二聚体分离, ARF结合到相应的AuxREs并激活GH3表达, 催化IAA与氨基酸结合; (B) IAA浓度较低时, ARF与Aux/IAAs形成二聚体并关闭AuxREs, GH3基因转录受到抑制, 作为生长素贮存库的IAA-Ala和IAA-Leu由酰胺水解酶水解, 重新释放出IAA。
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表1
拟南芥GH3基因的生物学功能
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图3
拟南芥生长发育中GH3基因的功能(参考Staswick et al., 1998, 2005; van Loon et al., 1998; Hsieh et al., 2000; Overmyer et al., 2000; Rao et al., 2000; Nakazawa et al., 2001; Takase et al., 2003, 2004; Park et al., 2007b; Jagadeeswaran et al., 2007; Nobuta et al., 2007; Zhang et al., 2007; 2008; 周苹等, 2015; 刘晓东等, 2016; Sherp et al., 2018; 周淑瑶等, 2023)
(A) 拟南芥幼苗; (B) 拟南芥成熟植株
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图4
水稻生长发育中GH3基因的功能(参考Yang et al., 2006; Qiu et al., 2007; Ding et al., 2008; Domingo et al., 2009; Tao et al., 2009; Zhang et al., 2009, 2015; Du et al., 2012; Zhao et al., 2013; Dai et al., 2018; Hui et al., 2019; Liu et al., 2022)
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表3
其它植物GH3基因的生物学功能
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