杨意宏 徐浩 陈段芬 高志民

（1. 河北农业大学园艺学院，保定 071001；2. 国家林业局竹藤科学与技术重点开放实验室国际竹藤中心 竹藤资源基因科学研究所，北京 100102）

赤霉素（Gibberellin，GA）是一类调节植物生长发育过程的四环双萜化合物，最早在水稻中发现并命名［1］。目前已发现136种天然状态下的赤霉素，按发现时期依次命名为GA1、GA2……，GA按C原子数目分为C19-GAS和C20-GAS两类，也可以根据其结合状态分为结合态和游离态。结合态GA能结合其他物质（如葡萄糖等）具有储存和运输功能，但是不具活性，游离态赤霉素和结合态赤霉素之间能够相互转化，从而满足植物在不同发育时期的要求［2-3］。植物中活性GA的合成过程需要经过一系列严格复杂的调控，前体物质牦牛儿牦牛儿焦磷酸（Geranylgeranylpyrophoshate，GGPP）在相关酶的作用下经古巴焦磷酸（Copalyl diphosphate，CDP）生成内根-贝壳杉烯（Ent-kaurene），后继续氧化为GA前体物质GA12-醛，随后GA的合成途径朝着有无GA13ox催化反应的两个方向进行。GA12-醛经GA13ox反应生成GA53，随后GA20ox将GA12/GA53逐步氧化生成GA9/GA20，GA9/GA20是不具备活性的，在GA3ox的催化下生成具备活性的GA4/GA1［4-6］。

作为GA合成中将非活性GA9/GA20催化生成活性GA4/GA1的关键酶基因，GA3ox已在拟南芥［7］、烟草［8］、高粱、杨树［9］、南瓜［10］、小麦［11］、苹果［12］及葡萄［13］等物种中得到分离克隆。对其编码蛋白的结构分析发现，GA3ox含有Fe2+离子结构域和2-酮戊二酸（2-oxoglutarate-dependent dioxygenase，2ODD）的保守结构域［14-15］。GA3ox通过控制活性GA的生成参与调节种子的萌发、茎的伸长、展叶及开花结实等过程，发挥功能［16-17］。植物体内GA3ox催化活性GA是一个复杂的调控过程，涉及到信号通路、激素水平等多种因子的影响，同时也受到周围环境的干扰，光、温度等因子通过影响GA3ox基因的转录水平、时空表达模式等方面参与调控植物生长过程。随着研究的不断深入，已通过基因克隆、突变体等相关研究对GA3ox的功能有了比较清晰的了解，目前对GA3ox的相关研究主要集中在基因表达模式及功能效应两个方面。本文从GA3ox的基因克隆与表达模式及其功能效应方面进行综述，探讨其在植物生长发育中的作用，旨为了解GA3ox对植物生长发育调控机制提供参考。

1 高等植物中GA3ox表达模式

1.1 GA3ox的时空表达

植物中基因表达量是由基因功能决定的，受到多种因素的调控，个体间不同生长阶段或不同组织中的基因表达量各有差异。利用RNA杂交对烟草不同组织分析发现，GA3ox在茎尖、花苞和根中的表达量较高，而叶和种皮基本不表达，烟草节间伸长前期GA3ox的活性较高，并随着节间的伸长表达量降低，这可能是由于茎秆前期需要大量活性GAs满足生长需求［8］；2个水稻OsGA3oxs基因在不同组织中的表达量存在差异，OsGA3ox1在未开放的花中表达量最高，OsGA3ox2则在伸展的叶片中最高，此外在萌发的种子、花药和发育的子房中均能检测到OsGA3oxs的表达［18］；4个AtGA3oxs相关基因分别在拟南芥发育的不同阶段发挥作用，AtGA3ox1和AtGA3ox2的表达主要能促进打破植物休眠，并在营养生长阶段发挥作用，萌发的种子、茎尖和类囊体等组织中AtGA3ox1和AtGA3ox2的表达量较多，而AtGA3ox3和AtGA3ox4则是在花、果荚等部位中表达量较高［19］；梨种皮中2个PsGA3oxs随着种子的发育呈现不同变化趋势，PsGA3ox1随着授粉后种子的发育呈现上升趋势，果皮中PsGA3ox1的含量与果实的发育正相关，随着果实直径快速变大，PsGA3ox1的含量达到最高，而PsGA3ox2的含量则无明显变化［20］；小麦中TaGA3ox2在营养器官和花中均有表达，而小麦TaGA3ox3主要在发育的谷粒中表达，TaGA1ox-B1则在根中表达较高［21］。

1.2 GA3ox对环境的响应

光敏色素通过调节GA2ox和GA3ox的表达影响GA的浓度，红光能抑制豌豆中GA3ox基因的表达、促进GA2ox表达，从而降低活性GA1的含量［22］；拟南芥AtGA3ox1和AtGA3ox2基因受到红光的诱导，提高活性GA的含量，促进种子萌发［23］，黑暗条件下，拟南芥感光信号转录因子PIF能结合到DELLA蛋白相关基因GAI和RGA启动子上，催化DELLA蛋白活性，抑制GA3ox的表达，降低活性GA合成［24］；短时间红光处理能促进莴苣种子中GA3ox表达，提高活性GA的含量，促进莴苣的生长；寒冷条件下玉米内源激素活性GA1和GA4的含量降低，其含量和合成途径均受到抑制，ZmGA3ox1和ZmGA3ox2控制玉米枝的发育，同时调节内源激素GA1的形成，这可能是由于寒冷条件下，GA3ox通过促进活性GA1的合成来降低寒冷对植株的胁迫作用［25］；水淹条件下水稻内乙烯含量增加，抑制ABA合成途径，诱导OsGA3ox表达从而降低乙烯对水稻根系的损害［26］。

1.3 GA3ox对激素的响应

GA3ox在植物中的表达受到外源激素的影响。利用外施生长素可诱导高粱GA3ox的表达，同时会抑制GA拮抗因子GA2ox的表达［27-28］；生长素处理梨后果皮中GA3ox的表达量上升［29］；IAA通过促进GA3ox的表达从而降低烟草茎秆GA20和GA1含量，可促进烟草的顶端生长［30］；细胞分裂素通过抑制GA3ox的表达，从而促进GA信号传导中负调节因子RGA/GAI的表达，影响植物体内GA的含量［31-32］；GA3和ABA处理水稻幼苗产生拮抗作用，GA3能诱导OsGA3ox2的表达，而ABA抑制该基因的表达［33］；利用一定浓度的GA3与多效唑处理正常条件下水稻种子发现，GA3抑制OsGA3ox2基因的表达，而在多效唑处理下该基因的表达呈上升［18］；通过对比有无GA处理盛花前后基因的表达可知，盛花期GA处理可降低VvGA3ox2的表达，从而抑制植物体内活性GA的含量，调节葡萄盛花期所需激素要求［34］。

2 高等植物GA3ox的功能效应

2.1 GA3ox对茎秆的影响

活性GA与茎的伸长密切相关，GA相关代谢酶基因表达异常对株高造成较大影响。研究发现通过控制GA3ox的表达可影响植物株高，抑制植物GA3ox的表达可出现矮化性状［35］。土豆中StGA3ox2的表达缺失影响节间距，与正常植物相比突变体植株矮小［36］；OsGA3ox2作为编码影响水稻茎秆高度的基因，其结构域的缺失会表现出不同程度的矮化性状，突变体d18植株由于合成活性GA受到影响，高度降低，增加了水稻抗倒伏能力，产量提高［18，37］；小麦Rht12矮杆基因通过干扰TaGA3ox的表达，影响小麦中GA信号通路，从而影响株高，利用GA3处理可以使得矮杆小麦恢复到正常高度［38］；转基因梨GA3ox的过量表达导致植物体内活性GA1的生成，与野生型相比，转基因植物的茎间距明显增长［39］；此外，GA3ox还能通过调节纤维发育影响茎秆生长情况，AtGA3ox1和AtGA3ox2参与调控次生细胞壁的增厚并参与茎的生长过程，双突变体atga3ox1、atga3ox2中纤维素、半纤维素和木质素的合成受到抑制，细胞壁明显变薄，出现严重矮化现象，进一步研究发现AtGA3ox1的缺失出现半矮化性状，AtGA3ox2的缺失则在形态上无明显差异，说明拟南芥茎的生长主要受到AtGA3ox1的调节，而两个AtGA3oxs间则存在功能互补现象［40-41］。

2.2 GA3ox对花、种子、果、根发育的影响

GA3ox家族包含多个成员，参与植物生长发育的各个阶段。烟草GA3ox通过影响花粉粒与绒毡层的形成调节花的发育，NtGA3ox调节早期花粉粒的形成［10］；水稻OsGA3oxs调节植物花器官发育，主要在花药和类囊体成熟阶段发挥作用，未成熟组织中OsGA3ox2的表达量高，能调节花药发育，突变体d18植株中并未出现单性结实现象，这可能是因为OsGA3ox1催化生成活性GA4调节花药发育，从而使突变体花药正常发育。而osga3ox2突变体出现严重矮化现象，但仍有种子产生，说明OsGA3ox1参与调控水稻种子的发育；活性GA诱导根细胞的分裂分化，促进根生长，拟南芥AtGA3ox1和AtGA3ox2通过控制活性GA的生成协同调节根系生长，利用atga3ox1、atga3ox2双突变体研究发现其种子萌发困难，茎生长缓慢，且出现果荚开裂的现象，这可能是由于AtGA3ox1和AtGA3ox2两个基因与植物器官衰老相关所造成的。AtGA3ox3和AtGA3ox4可诱导种子萌发，促进其营养生长［19，42］；南瓜中3个CmGA3oxs相关基因在种子的发育的不同阶段发挥作用，CmGA3ox1和CmGA3ox2促进种子的萌发，CmGA3ox3则在种子生长过程中发挥作用［14］；梨中PtGA3ox1对果实发育所需激素GA1的合成是必不可少的，过量表达PtGA3ox1的植株中GA1的含量明显增多从而影响果皮性状；葡萄VvGA3oxs随着其发育调控活性GA的含量满足不同时期对激素的要求，与成花后相比，刚开放的花中活性GA1的含量高达50%左右，GA4则在结籽时明显积累［43-44］。此外，通过外施GA生物合成抑制剂（PAC）证明VvGA3ox的表达与葡萄的坐果率有关［45］。

3 展望

有关赤霉素的合成过程目前已经取得了较大进展，对参与其合成酶的研究主要集中在GA2ox和GA20ox［46］方面。GA2ox的过量表达会促使水稻提早分蘖，且能促进根的发育［27］。SPINDLY作为植物体内GA抑制蛋白，能促进植物体内细胞分裂素信号传导，活性GA和细胞分裂素之间的相互作用主要是通过该蛋白引起的［30］。此外，有关GA在生产中的应用也取得了较大进展，如水稻中参与GA合成途径中的关键酶GA20ox基因Sd1和小麦中参与信号传导途径上的负调控因子DELLA蛋白基因Rht1能提高粮食作物的抗倒伏能力，从而使得产量大幅度提高［47］。近年来，有关GA3ox的研究取得了良好的进展，以下方面仍具有较大的研究空间：

植物GA3ox一般由多基因编码，植物体内GA3oxs基因之间的相互作用需进一步研究；植物体内活性GA的合成受到一系列相关酶的调控，有关GA3ox与GA合成中其他氧化酶间的相互作用机制尚需待深入研究；激素对基因表达调节具有双重性，适量浓度的激素可促进GA3ox的表达，超过一定浓度则会产生相反作用，但激素调控植物体内GA3ox表达的作用机制有待进一步阐述；GA的相关研究已经在生产中得到应用，如利用矮秆基因提高作物产量，但GA3ox参与的植物性状调控是一个复杂的网络，其具体作用机制尚需深入研究来证实。

［1］Wang BS. Plant Physiology［M］. Beijing：Science Press, 2004.

［2］Kawaide H. Biochemical and molecular analyses of gibberellin biosynthesis in fungi［J］. Biosci Biotechnol Biochem, 2006, 70（3）：583-590.

［3］Huang Y, Wang X, Ge S, et al. Divergence and adaptive evolution of the gibberellin oxidase genes in plants［J］. BMC Evol Biol, 2015,15（1）：1-15.

［4］Hedden P, Phillips AL. Gibberellin metabolism：new insight revealed by the genes［J］. Trends Plant Sci, 2000, 12：523-530.

［5］Grennan AK. Gibberellin metabolism enzymes in rice［J］. Plant Physiol, 2006, 141（2）：524-526.

［6］Martínez-Bello L, Moritz T, López-Díaz I, et al. Silencing C19-GA 2-oxidases induces parthenocarpic development and inhibits lateral branching in tomato plants［J］. J Exp Bot, 2015, 19 ：5897-5910.

［7］Chiang HH, Hwang I, Goodman HM. Isolation of theArabidopsisGA4locus［J］. Plant Cell, 1995, 7（2）：195-201.

［8］Itoh H, et al. The gene encoding tobacco gibberellin 3-hydroxylase is expressed at the site of GA action during stem elongation and flower organ development［J］. Plant J, 1999, 20（1）：15-24.

［9］Israelsson M, et al. Cloning and overproduction of gibberellin 3-oxidase in hybrid aspen trees. Effects on gibberellin homeostasis and development［J］. Plant Physiol, 2004, 135（1）：221-230.

［10］Lange T, Kappler J, et al. Gibberellin biosynthesis in developing pumpkin seedlings［J］. Plant Physiol, 2005, 139（1）：213-223.

［11］Appleford NE, et al. Function and transcript analysis of gibberellinbiosynthetic enzymes in wheat［J］. Planta, 2006, 223 ：568-582.

［12］赵慧君, 等. 苹果赤霉素3-氧化酶1（MdGA3ox1）在烟草中的表达研究［J］. 湖北文理学院学报, 2015（2）：17-20.

［13］刘炳臣, 等. 葡萄活性赤霉素合成关键基因VvGA3ox家族的克隆和表达分析［J］. 园艺学报, 2016, 43（12）：2293-2303.

［14］Aravind L, Koonin EV. The DNA-repair protein AlkB, EGL-9, and leprecan define new families of 2-oxoglutarate- and irondependent dioxygenases［J］. Genome Biol, 2001, 2（3）：RESEARCH0007.

［15］周明兵, 汤定钦. 高等植物赤霉素生物合成及其关键酶的研究进展［J］. 浙江林学院学报, 2004, 21（3）：344-348.

［16］Davies, Peter J. PLANT HORMONES：biosynthesis, signal transduction, action［M］. Germany：Springer, 2010.

［17］潘瑞炽. 植物生理学［M］. 第6版. 北京：高等教育出版社,2008.

［18］Itoh H, et al. Cloning and functional analysis of two gibberellin 3β-hydroxylase genes that are differently expressed during the growth of rice［J］. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98（15）：8909-8914.

［19］Mitchum MG, Yamaguchi S, Hanada A, et al. Distinct and overlapping roles of two gibberellin 3-oxidases inArabidopsisdevelopment［J］. Plant J, 2006, 45（5）：804-818.

［20］Ozga JA, Reinecke DM, Ayele BT, et al. Developmental and hormonal regulation of gibberellin biosynthesis and catabolism in pea fruit［J］. Plant Physiol, 2009, 150（1）：448-462.

［21］Pearce S, et al. Heterologous expression and transcript analysis of gibberellin biosynthetic genes of grasses reveals novel functionality in theGA3oxfamily［J］. BMC Plant Biol, 2015, 15：130.

［22］Reid JB, Botwright NA, Smith JJ, et al. Control of gibberellin levels and gene expression during de-etiolation in pea［J］. Plant Physiol, 2002, 128（2）：734-741.

［23］ Toyomasu T, Kawaide H, Mitsuhashi W, et al. Phytochrome regulates gibberellin biosynthesis during germination of photoblastic lettuce seeds［J］. Plant Physiol, 1998, 118（4）：1517-1523.

［24］潘教文, 赵术珍, 张烨, 等. 光敏色素互作因子（PIFs）对植物生长发育的调控［J］. 山东农业科学, 2014（6）：150-156.

［25］Yang L, Yang D, Yan X, et al. The role of gibberellins in improving the resistance of tebuconazole-coated maize seeds to chilling stress by microencapsulation［J］. Sci Rep, 2016, 6：35447.

［26］Dubois V, Moritz T, García-Martínez JL et al. Examination of two lowland rice cultivars reveals that gibberellin-dependent early response to submergence is not necessarily mediated by ethylene［J］. Plant Signal Behav, 2011, 6（1）：134-136.

［27］Lo SF, Yang SY, Chen KT, et al. A novel class of gibberellin 2-oxidases control semidwarfism, tillering, and root development in rice［J］. Plant Cell, 2008, 20（10）：2603-2618.

［28］Wolbang CM, Chandler PM, et al. Auxin from the developing inflorescence is required for the biosynthesis of active gibberellins in barley stems［J］. Plant Physiol, 2004, 134（2）：769-776.

［29］Ozga JA, et al. Pollination-, development-, and auxin-specific regulation of gibberellin 3β-hydroxylase gene expression in pea fruit and seeds［J］. Plant Physiol, 2003, 131：1137-1146.

［30］Greenboim-Wainberg Y, Maymon I, Borochov R et al. Cross talk between gibberellin and cytokinin：theArabidopsisGA response inhibitor SPINDLY plays a positive role in cytokinin signaling［J］. Plant Cell, 2005, 17（1）：92-102.

［31］Brenner WG, Romanov GA, Köllmer I, et al. Immediate-early and delayed cytokinin response genes ofArabidopsis thalianaidentified by genome-wide expression profiling reveal novel cytokinin-sensitive processes and suggest cytokinin action through transcriptional cascades［J］. Plant J, 2005, 44（2）：314-333.

［32］Reyes JL, Chua NH. ABA induction of miR159 controls transcript levels of two MYB factors duringArabidopsisseed germination［J］. Plant J, 2007, 49（4）：592-606.

［33］杨艳华, 张亚东, 朱镇, 等. 赤霉素（GA3）和脱落酸（ABA）对不同水稻品种生长和生理特性及GA20ox2、GA3ox2基因表达的影响［J］. 中国水稻科学, 2010, 24（4）：433-437.

［34］Jung CJ, Hur YY, Jung SM, et al. Transcriptional changes of gibberellin oxidase genes in grapevines with or without gibberellin application during inflorescence development［J］. J Plant Res,2014, 127（2）：359-371.

［35］乔枫, 赵开军. 植物中赤霉素代谢酶与株高的关系［J］. 生物技术通报, 2011（3）：1-6.

［36］Roumeliotis E, et al. Down regulation ofStGA3oxgenes in potato results in altered GA content and affect plant and tuber growth characteristics［J］. J Plant Physiol, 2013, 14 ：1228-1234.

［37］Sakamoto T, Miura K, Itoh H, et al. An overview of gibberellin metabolism enzyme genes and their related mutants in rice［J］.Plant Physiol, 2004, 134（4）：1642-1653.

［38］刘颖, 阳文龙, 郭小丽.Rht12矮秆小麦GA3ox基因的克隆与表达分析［J］. 分子植物育种, 2015, 13（2）：241-253.

［39］Reinecke DM, et al.Gibberellin 3-oxidasegene expression patterns influence gibberellin biosynthesis, growth, and development in pea［J］. Plant Physiol, 2013, 163（2）：929-945.

［40］王富廷, 等. 垂枝梅花赤霉素GA20ox、GA3ox、GID1基因克隆与表达分析［J］. 中国观赏园艺研究进展. 2014.

［41］王增光, 等. 拟南芥AtGA3OX1和AtGA3OX2基因影响茎秆次生细胞壁增厚的分子机理［J］. 遗传, 2013（5）：655-665.

［42］钮世辉, 李伟, 陈晓阳. 赤霉素对根尖径向生长的调节作用研究［J］. 北京林业大学学报, 2013, 35（3）：71-75.

［43］Lisa G, Omar R S, Domenico M, et al. Gibberellin metabolism inVitis viniferaL. during bloom and fruit-set：functional characterization and evolution of grapevine gibberellin oxidases［J］. J Exp Bot, 2013, 64（14）：4403-4419.

［44］Giacomelli L, Masuero D, Vrhovsek U, et al. Gibberellin metabolism in grapevine during bloom and fruit-set［J］. Acta Horticul, 2017, （1157）：277-282.

［45］Lu L, et al. The expression ofvvga20ox1andvvga3ox1during fruit set of grapevine［J］. Acta Horticul, 2015（1082）：367-372.

［46］吴建明, 陈荣发, 黄杏, 等. 高等植物赤霉素生物合成关键组分GA20-oxidase氧化酶基因的研究进展［J］. 生物技术通报,2016, 32（7）：1-12.

［47］黄先忠, 蒋才富, 廖立力, 等. 赤霉素作用机理的分子基础与调控模式研究进展［J］. 植物学通报, 2006（5）：499-510.