GA 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與棉纖維的分子發(fā)育----參考

1、HEREDITAS (Beijing 2007年3月, 29(3: 276282 ISSN 0253-9772 綜 述 收稿日期: 2006-08-04; 修回日期: 2006-09-01基金項(xiàng)目: 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào): 2004CB117307資助Supported by the State Key Basic Research and Development Program (973 Program (No. 2004CB117307作者簡(jiǎn)介:王榮(1968, 女, 碩士研究生; 專業(yè)方向: 分子遺傳學(xué)通訊作者: 張根發(fā)(1956男, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師

2、, 研究方向: 遺傳學(xué)。E-mail: gfzhDOI: 10.1360/yc-007-0276赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與棉纖維的分子發(fā)育王榮1, 2, 崔百明3, 彭明3, 張根發(fā)11. 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 北京 100875;2. 安徽阜陽(yáng)師范學(xué)院生物系, 阜陽(yáng) 236032;3. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物生物技術(shù)研究所, ?？?571737摘要: 赤霉素(Gas作為一種高效能的植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)棉纖維的分化和發(fā)育有著非常重要的影響, 但是, 一直以來(lái)有關(guān)赤霉素與棉纖維分化和發(fā)育的分子機(jī)制的研究還很少。文章論述了近年來(lái)GA 信號(hào)組分、轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的分子生物學(xué)研究進(jìn)展以及GA 與棉纖維分子發(fā)育的

3、相關(guān)研究成果, 旨在為揭示赤霉素調(diào)控棉纖維分化和發(fā)育的分子機(jī)制以及改善棉纖維品質(zhì)的棉花育種工作提供新的思路。 關(guān)鍵詞: 赤霉素; 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo); 棉纖維發(fā)育Gibberellin signal transduction and cotton fiber molecular developmentWANG Rong 1, 2 , CUI Bai-Ming 3, PENG Ming 3, ZHANG Gen-Fa 11. College of Life Science , Beijing Normal University , Beijing 100875, China ;2. Department

4、of Biology , Fuyang Normal College , Fuyang , Anhui Province 236041, China ;3. Institute of Biotechnology in Tropics Crops , Chinese Academy of Tropics Agriculture , Haikou 571101, ChinaAbstract : Gibberellins (GAs is a sort of high efficiency plant growth regulator which is very important for cotto

5、n fiberinitiation and development. Recently, the research of GA signal transduction mostly focuses on Arabidopsis, wheat, barley, maize, rice and so on. Yet we know little about molecular mechanism of GA to cotton fiber initiation and development. In recent years, exciting progress has been made in

6、identifying many important components involved in gibberellin signal transduction pathways, which can help us to understand deeply these pathways and their regulation. This review summa-rized the recently research process of GA signal transduction and correlation of GA and cotton fiber molecular dev

7、elop-ment. We hope that the paper can provide some new ideas about the function and mechanism of GA in cotton fiber initiation and development, and for cotton breeding task.Keywords: gibberellins; signal transduction; cotton fiber development棉花(Gossypium spp.是世界上最重要的經(jīng)濟(jì)作物, 其主要產(chǎn)品棉纖維是紡織工業(yè)的主要原料。長(zhǎng)期以來(lái), 人們

8、對(duì)棉纖維發(fā)育的形態(tài)、生理生化、及細(xì)胞學(xué)方面進(jìn)行了大量細(xì)致的研究, 而對(duì)棉纖維發(fā)育機(jī)制, 特別是分子生物學(xué)機(jī)制的研究重視不夠,了解較少1。但是, 近些年來(lái), GA 生物合成和調(diào)控的研究在許多重要植物中深入到分子生物學(xué)層次2。本文概述了GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的最新研究進(jìn)展以及GA 與棉纖維分子發(fā)育的相關(guān)內(nèi)容, 依據(jù)赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑在很多植物中相對(duì)保守這一特性3, 提第3期王榮等: 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與棉纖維的分子發(fā)育 277出了赤霉素在棉纖維發(fā)育中作用的研究方法和可能前景, 期望能為揭示赤霉素調(diào)控棉纖維分化和發(fā)育的分子機(jī)制的研究以及改善棉纖維品質(zhì)的棉花育種工作提供新的有益思路。1棉纖維發(fā)育概況棉纖維是指棉花

9、種子表皮毛, 是由棉花胚珠外珠被表皮細(xì)胞經(jīng)分化、發(fā)育而形成的單細(xì)胞纖維, 其發(fā)育過(guò)程可分為起始(initiation、伸長(zhǎng)(elongation 主要為初生壁合成期 、次生壁增厚( secondary wall thickening 和脫水成熟(maturation 4個(gè)時(shí)期4, 每個(gè)時(shí)期各具特點(diǎn), 但相鄰時(shí)期之間沒(méi)有截然區(qū)分的界線, 并且有所重疊。棉纖維分化、發(fā)育過(guò)程表現(xiàn)的特點(diǎn)使之成為研究植物細(xì)胞分化、伸長(zhǎng)、細(xì)胞骨架、細(xì)胞壁形成及纖維素生物合成的模式材料5。棉花胚珠表皮細(xì)胞(除氣孔表皮細(xì)胞和珠孔細(xì)胞外都具有分化成棉纖維的潛能, 但只有30%的表皮細(xì)胞最終可形成單細(xì)胞的纖維。棉纖維有2種, 一

10、種是花前啟動(dòng)、花期開(kāi)始伸長(zhǎng)的纖維(lint, 即可用于紡織品的纖維, 也是本研究所指的纖維; 另一種是在花后510天啟動(dòng)發(fā)育的纖維(fuzz, 也即絨。纖維原始細(xì)胞的啟動(dòng)要經(jīng)歷分化和突起2個(gè)過(guò)程, 分化發(fā)生在突起之前。棉纖維發(fā)育的啟動(dòng)期較短, 啟動(dòng)后即迅速進(jìn)入伸長(zhǎng)期。伸長(zhǎng)期主要進(jìn)行初生細(xì)胞壁的合成, 為期1618天; 在伸長(zhǎng)期結(jié)束時(shí), 纖維細(xì)胞開(kāi)始次生細(xì)胞壁的合成, 大約經(jīng)歷30天左右; 最后再經(jīng)過(guò)5天左右的成熟期, 就形成了幾乎全部(90%由纖維素組成的細(xì)胞壁, 產(chǎn)生了完整的棉纖維。研究表明, 許多激素對(duì)棉纖維分化和發(fā)育都有重要影響, 包括: 生長(zhǎng)素、赤霉素、細(xì)胞分裂素、脫落酸、和乙烯等。棉

11、纖維的發(fā)育是由各種激素共同調(diào)控的結(jié)果。因此, 只有了解各種激素具體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑, 以及各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑之間的相互關(guān)系, 才能最終揭示激素調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的分子機(jī)制6。生長(zhǎng)素和赤霉素對(duì)棉纖維的分化和發(fā)育起促進(jìn)作用7, 因此與棉纖維的質(zhì)量和產(chǎn)量關(guān)系更為密切。2赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進(jìn)展赤霉素(GA是一類高效生長(zhǎng)激素, 能作用于高等植物的整個(gè)生命周期, 可影響種子的萌發(fā)、莖的伸長(zhǎng)、花的誘導(dǎo)和種子的形成等一系列生命過(guò)程810; GA信號(hào)傳導(dǎo)的研究工作成果很多, 它是在谷物類糊粉層系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)上取得的。在糊粉層中-淀粉酶是表達(dá)最豐富的水解酶, 該基因的表達(dá)受GAs 誘導(dǎo); 可用于檢測(cè)GA信號(hào)傳導(dǎo)的狀態(tài)1

12、1, 12, 是一個(gè)研究GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要標(biāo)記基因。2.1赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的重要中間組分赤霉素的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 包括有GA信號(hào)的感受、信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)以及最終引起特定的GA 反應(yīng)等一系列過(guò)程13。利用瓊脂糖固定化的GA4處理糊粉層原生質(zhì)體或?qū)A4微注射到原生質(zhì)體內(nèi), 結(jié)果均表明GA存在膜受體, 且定位于質(zhì)膜外側(cè)14, 15, 利用光親和標(biāo)記實(shí)驗(yàn)已在莖尖和糊粉層中鑒定了2個(gè)GA4結(jié)合蛋白14, 16, 但是GA的膜受體還沒(méi)有被確定。最近有研究表明水稻GA不敏感型突變體DWARF1 (GID1蛋白很可能是人們長(zhǎng)期以來(lái)尋找的GA受體17。這一新的發(fā)現(xiàn)為長(zhǎng)期以來(lái)困惑人們已久的GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研

13、究提供了重要的依據(jù)。研究表明, 異三聚體G蛋白, cGMP、Ca2+、鈣調(diào)素(CaM和蛋白激酶等都可能是GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的第二信使18。與G蛋白偶聯(lián)的跨膜受體相互作用的異三聚體G蛋白被認(rèn)為是GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要組分。借助于擬南芥等模式植物突變體的篩選與禾谷類植物糊粉層系統(tǒng)的建立, 通過(guò)分子遺傳學(xué)和藥理學(xué)等分析, 已鑒定出GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的5個(gè)正向作用因子DWARF1、PHOR1、PICKLE、MYB轉(zhuǎn)錄因子和SLEEPY1, 3個(gè)反向作用因子RGA/GAI、SPY、SHI。它們都是GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的重要組分。這些組分是高度保守的, 不同物種中的正向因子和反向因子在GA信號(hào)傳遞過(guò)程中的作

14、用十分相似。2.1.1 正向因子及其作用2.1.1.1 DWARF1水稻DWARF1(D1基因是編碼異三聚體G蛋白-亞基的唯一基因。d1突變體表型為半矮化、葉片濃綠, 與GA缺失型突變體相似; 而d1、slr1雙突變體則表現(xiàn)為slr1突變體細(xì)長(zhǎng)的表型, 這表明SLR1在D1的下游起作用19, 20。與水稻一樣, 擬南芥中也僅有一個(gè)編碼G蛋白-亞基的基因, 但是其突變體(loss-of-function mutation的表型卻為非矮化21, 22, 所以G蛋白-亞基在GA反應(yīng)中的作用似乎因植物種類而異。278 HEREDITAS(Beijing2007第29卷2.1.1.2 PHOR1短日照條

15、件下生長(zhǎng)的馬鈴薯葉片中, PHOR1 (PHOTOPERIOD RESPONSIVE1的mRNA水平提高23。反義抑制PHOR1基因的表達(dá)會(huì)引起表型的半矮化, 對(duì)GA的響應(yīng)能力降低, 而內(nèi)源GA水平則提高; 過(guò)量表達(dá)PHOR1引起植株過(guò)量生長(zhǎng), 且對(duì)外源GA的響應(yīng)能力提高。PHOR1含有7個(gè)armadillo 重復(fù)序列, 缺失實(shí)驗(yàn)證明這些armadllo重復(fù)序列是PHOR1的核定位信號(hào), 且該功能可為CPI所逆轉(zhuǎn), 據(jù)此可推測(cè)出PHOR1發(fā)揮作用的模式, 當(dāng)GA信號(hào)不存在時(shí), CPI使PHOR1保持在胞質(zhì)溶膠中, 這時(shí)PHOR1處于非活性狀態(tài); 當(dāng)GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)時(shí), CPI受到抑制, armad

16、illo重復(fù)序列使PHOR1定位到核內(nèi), 從而促進(jìn)GA反應(yīng)中的正向因子基因的轉(zhuǎn)錄。2.1.1.3 PICKLEpickle(pkl突變體的表型為半矮化, 與GA缺失型突變體相似, 但外源GA處理不能使矮化莖延長(zhǎng), 表明PKL參與GA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。擬南芥中的PKL蛋白包含CH3染色質(zhì)重組因子(chromatin-remodeling factors中的特征型功能域, 而已知CH3蛋白參與構(gòu)成的復(fù)合體具有抑制轉(zhuǎn)錄的組蛋白脫乙酰酶活性, 對(duì)CH3染色質(zhì)重組因子的進(jìn)一步研究可為揭示PKL 在GA反應(yīng)途徑中的作用機(jī)制提供有用的信息。2.1.1.4 MYB轉(zhuǎn)錄因子GAMYB是GA誘導(dǎo)的MYB轉(zhuǎn)錄因子, 它能

17、使大麥-淀粉酶基因啟動(dòng)子活化, 在擬南芥中分離到3個(gè)與大麥糊粉細(xì)胞有類似功能的GAMYB蛋白, 其中的AtMYB33可能與GA誘導(dǎo)植株開(kāi)花的生理功能有關(guān)24。2.1.1.5 SLEEPY1隱性的sly1突變體表型與GA缺失突變體相似, 外源GA不能使其逆轉(zhuǎn), 表明SLY蛋白是GA反應(yīng)所必需的25, 有研究表明隱性的sly1突變體的表型可通過(guò)它的同源基因SNEEZY的過(guò)表達(dá)而得到恢復(fù)26。2.1.2 反向因子及其作用2.1.2.1 RGA/GAI蛋白對(duì)擬南芥RGA基因的克隆和研究表明, RGA蛋白很有可能是一類轉(zhuǎn)錄抑制因子, 它抑制GA的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)27, 28。RGA蛋白定位于核內(nèi), GA處理后R

18、GA 蛋白迅速降解。擬南芥gail突變體對(duì)GA的響應(yīng)能力減弱, 而植株內(nèi)生物活性的GA含量升高, 表明RGA/GAI蛋白參與GA生物合成的反饋調(diào)節(jié)29。GAI 和RGA基因有82%的序列相同, 它們屬于植物特異性GRAS調(diào)節(jié)蛋白基因家族30。已知的與GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的GRAS基因都含有一個(gè)酸性的氮末端DELLA區(qū)域, DELLA區(qū)域中17個(gè)氨基酸的缺失即能產(chǎn)生矮化的表型, 因此DELLA區(qū)域?qū)GA/GAI 蛋白的活性很重要31, 32。此外, RGA/GAI蛋白都含有七個(gè)絲氨酸-蘇氨酸-亮氨酸重復(fù)序列和假定的核酸定位序列(NLSs。RGA/GAI蛋白的結(jié)構(gòu)特征和核定位功能表明它們是轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因

19、子33。2.1.2.2 SPYSPY蛋白為擬南芥(Arabidopsis thaliana中SPINDLY(SPY基因的產(chǎn)物, 是最先揭示的 GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)組分。SPY基因在植物中呈組成型表達(dá), 其蛋白主要分布在細(xì)胞核部位34, 35。spindly(spy突變體是一種GA組成型不敏感突變體, 擬南芥中已經(jīng)分離到SPY基因, 也在大麥中分離到同源基因HvSPY36。大麥糊粉細(xì)胞原生質(zhì)體中, HvSPY的瞬間表達(dá)能夠抑制GA誘導(dǎo)的-淀粉酶基因的表達(dá), 這進(jìn)一步證明SPY和HvSPY是GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的抑制因子37。SPY是一個(gè)單拷貝基因。cDNA全長(zhǎng)約3.5 kb, 編碼含914個(gè)氨基酸的蛋白。一些

20、spy突變體的某些表型與GA 在植物發(fā)育中的作用不一致38。這有兩種可能: 一是GA在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中還有其他未被了解的生理功能, 二是SPY 也參與其他信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑, 調(diào)節(jié)其他代謝途徑的反應(yīng)。RGA、GAI 和GAMyb等參與GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的組分很可能是SPY相互作用與修飾的對(duì)象。也有研究表明SPY在調(diào)控植物發(fā)育中起重要作用, 這種作用甚至超過(guò)了它在GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用39。2.1.2.3 SHIshi(short internodes突變體表型為半矮化, SHI 基因在還沒(méi)有快速伸長(zhǎng)的幼嫩器官中表達(dá), 說(shuō)明它可防止幼嫩器官對(duì)GA發(fā)生響應(yīng)而啟動(dòng)伸長(zhǎng)生長(zhǎng), SHI在大麥糊粉細(xì)胞中的表達(dá)能使G

21、A誘導(dǎo)的-淀粉酶的表達(dá)受抑制, 預(yù)示其反向調(diào)節(jié)GA反應(yīng)40。SHI蛋白含環(huán)狀的鋅指區(qū)基序(zinc finger motif, 一般認(rèn)為, 鋅指區(qū)能調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)水解或轉(zhuǎn)錄調(diào)控過(guò)程中的蛋白質(zhì)相互作用。實(shí)驗(yàn)表明阻遏是GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)最基本的方式, GA信號(hào)通過(guò)去除阻遏來(lái)激活轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑, 在GAs信號(hào)第3期王榮等: 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與棉纖維的分子發(fā)育 279 轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中存在抑制子, 這些抑制子使GAs 信號(hào)傳導(dǎo)途徑處于阻遏狀態(tài), 當(dāng)有GAs 信號(hào)時(shí), 這些抑制子被降解, 從而解除了GAs 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的阻遏狀態(tài), 由GAs 誘導(dǎo)的與生長(zhǎng)相關(guān)的基因才得以表 達(dá)41。具有生物活性的GA 與膜受體結(jié)合后, 可直接

22、或間接地激活第二信使和G 蛋白(D1, 并使 PHOR1定位到核內(nèi), 同時(shí)引起核內(nèi) RGA/GAI 的快速降解。在核中, GA 信號(hào)可能通過(guò)抑制SPY 的活性, 提高RGA/GAI 的磷酸化, 或者激活與OGT 特異性作用的N-已酰半乳糖胺酶而使RGA/GAI 失活。RGA/GAI 、PHOR1以及其他轉(zhuǎn)錄因子能調(diào)節(jié)特定基因的轉(zhuǎn)錄(圖1。圖1 GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基本模式18Fig. 1 Model of GA signal transduction182.2 GA 在擬南芥中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式考慮到棉纖維是一種特化的表皮毛, 與擬南芥的表皮毛發(fā)育有相似的生物學(xué)機(jī)理, 因此GA 在擬南芥中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式

23、對(duì)棉纖維發(fā)育機(jī)理的研究有重要的價(jià)值。目前, GA 在擬南芥中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式的研究主要集中在SPY, RGA 和GAI 上, 因?yàn)檫@3者在遺傳上的相互作用已為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)42。并由實(shí)驗(yàn)推測(cè)RGA/GAI 蛋白很可能是SPY 的靶蛋白, 因此, 在GA 不足的情況下, RGA 和GAI 可經(jīng)SPY 的N-乙酰氨基葡萄糖基化修飾后活化4345。在動(dòng)物系統(tǒng)中, GlcNAc 的蛋白修飾有助于他們?cè)诩?xì)胞核中的定位, 增加他們的穩(wěn)定性, 改變蛋白與蛋白之間的相互作用46,47, 通過(guò)抑制SPY 或增加RGA 和GAI 的磷酸化, GA 信號(hào)也可失活(圖2。3 赤霉素對(duì)棉纖維分化和發(fā)育的影響赤霉素對(duì)棉纖維的起

24、始、分化和發(fā)育有很大影響, 它可明顯改變生殖發(fā)育起止時(shí)間, 也影響細(xì)胞分裂和伸長(zhǎng)。赤霉素對(duì)棉纖維分化和發(fā)育的影響主要是通過(guò)從棉鈴或胚珠中分離和鑒定內(nèi)源激素; 或者施用外源激素分析棉纖維的變化來(lái)研究獲得的。早期有關(guān)赤霉素的研究主要集中在棉鈴的發(fā)育和脫落兩個(gè)方面48。另外, 在人工棉纖維的研究中, 也發(fā)圖 2 擬南芥GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中SPY, GAI 和RGA 之間的相互作用42a: 在GA 生物合成或信號(hào)傳導(dǎo)的突變體中, 由于沒(méi)有GA 的信號(hào)傳導(dǎo), 跨膜的GA 受體被滅活;激活的SPY 作為OGT 通過(guò)GlcNAc 修飾RGA 和GAI, 激活的RGA 和GAI 作為轉(zhuǎn)錄的激活或抑制因子, 直

25、接或間接地激活或抑制基因的表達(dá); b: 野生型植物的GA 受體被具有生物活性的GAs 激活, GA 信號(hào)不僅抑制SPY, 而且可能通過(guò)一個(gè)未知因子抑制RGA 和GAI, 激活GA 誘導(dǎo)基因的表達(dá)。Fig. 2 Proposed roles of SPY, GAI and RGA in the GA signaling pathway 42a: A GA-deficient cell in a GA-biosynthesis mutant or a wild-type cell without the GA signal. The hypothetical transmembrane GA re

26、ceptor is inactive in the absence of GA signal. In this situation, SPY is an active OGT. RGA and GAI become activated RGA and GAI proteins upon GlcNAc modification by SPY Active RGA*and GAI function as activators or repressors of transcription, and indirectly or directly inhibit the expression of GA

27、-induced genes. b: A GA-responding cell in a wild-type plant. The GA receptor (dark gray is activated by binding of bioac-tive GA. The GA signal inhibits RGA and GAI not only by deactivating SPY, but also by an unidentified factor which may deactivate RGA and GAI through interaction with the DELLA r

28、egion. The intensity of signal coming from the GA receptor complex will determine the level of SPY, RGA and GAI activities in a given cell.280 HEREDITAS(Beijing2007第29卷現(xiàn)赤霉素在誘導(dǎo)單纖維細(xì)胞產(chǎn)生和伸長(zhǎng)中具有重要作用49。3.1赤霉素對(duì)棉纖維分化、伸長(zhǎng)和次生壁形成的影響GA3能誘發(fā)較多的纖維原始細(xì)胞, 能刺激纖維使其具有一定程度的伸長(zhǎng), 在離體條件下, GA3對(duì)開(kāi)花后8日之前的胚珠纖維伸長(zhǎng)有較明顯的增效作用, 實(shí)驗(yàn)證明GA3使棉

29、花未受精胚珠蘋果酸合成酶的活性提高。體外培養(yǎng)體系的研究表明, 如在培養(yǎng)基中加入GA3, 則纖維量大增; GA3能刺激纖維分化, 但它對(duì)纖維伸長(zhǎng)的刺激不如生長(zhǎng)素, 生長(zhǎng)素單獨(dú)使用很少能促進(jìn)纖維分化, 但卻有效地促進(jìn)纖維伸長(zhǎng)48。GA3似乎對(duì)纖維素的產(chǎn)量沒(méi)有影響, 它可刺激14C從葡萄糖進(jìn)入纖維初生和次生細(xì)胞壁纖維素中, 在次生壁形成期間, 赤霉素對(duì)纖維素合成活化作用最大; 赤霉素的刺激效應(yīng)還表現(xiàn)在利用葡萄糖二磷酸尿苷上, 即表現(xiàn)在形成纖維素的代謝鏈的最后一個(gè)環(huán)節(jié)上?？赡茉蚴荊A3使-葡萄糖合成酶活化了, GA3還能加強(qiáng)糖酵解作用、呼吸鏈活性及氧化磷酸化作用。3.2赤霉素對(duì)棉花離體胚珠的影響在人

30、工棉纖維的研究中發(fā)現(xiàn)赤霉素在誘導(dǎo)單纖維細(xì)胞產(chǎn)生和伸長(zhǎng)中具有重要作用。BeasLey和Ting50首先用GA3使未受精胚珠產(chǎn)生纖維。Trolinder等51證明在懸浮培養(yǎng)時(shí), 不論培養(yǎng)基中是否有生長(zhǎng)素存在, GA3都能使來(lái)源于棉花胚珠的愈傷細(xì)胞伸長(zhǎng), 另外, GA3還可使胚珠愈傷組織來(lái)源的纖維細(xì)胞數(shù)量增加。Graves和Stewart52用開(kāi)花前2天到開(kāi)花當(dāng)天的胚珠進(jìn)行培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)基中先加入IAA和GA3的均可產(chǎn)生纖維并伸長(zhǎng); 而不加入的便不伸長(zhǎng); 先不加以后再加入時(shí), 多數(shù)胚珠也不產(chǎn)生纖維。因而, 他們認(rèn)為激素只是一種必要的外部刺激, 纖維分化過(guò)程是由內(nèi)部生物鐘調(diào)節(jié)的。王雨華和王隆華等53

31、發(fā)現(xiàn), 赤霉素是誘導(dǎo)和促進(jìn)纖維細(xì)胞伸長(zhǎng)的必要因素, 無(wú)論是單獨(dú)使用還是與其他激素配合使用, 都能有較好的誘導(dǎo)效果, 每一種赤霉素對(duì)纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)均存在一個(gè)最適濃度, 低于此最適濃度時(shí), 纖維長(zhǎng)度隨濃度提高而增長(zhǎng); 而高于此最適濃度時(shí), 纖維細(xì)胞的伸長(zhǎng)效果不明顯。另有實(shí)驗(yàn)表明, GA3含量在開(kāi)花后10天迅速降低, 因此, 推測(cè)GA3只在開(kāi)花前10天對(duì)棉纖維伸長(zhǎng)起作用5。3.3赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)在棉纖維發(fā)育中的研究展望近年來(lái)有關(guān)赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究大都集中擬南芥、小麥、大麥、玉米、水稻等植物中, 而在棉花中的研究很少報(bào)道。棉花生長(zhǎng)周期長(zhǎng); 各組織的mRNA較難提取; 轉(zhuǎn)基因驗(yàn)證較困難等, 這些都嚴(yán)

32、重影響了人們從分子水平研究棉花中的赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。但基于赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式在植物中的高度保守這一特性, 加之提取mRNA技術(shù)的日臻完善以及各種GA 突變體在其他模式植物中的相繼獲得, 使得棉花GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的研究成為可能。模式植物擬南界基因組和功能基因組首次為人們使用分子遺傳學(xué)的方法分離編碼GA信號(hào)傳遞過(guò)程中組成元件的基因提供了良機(jī)。不僅為人們對(duì)于GA信號(hào)傳遞的級(jí)聯(lián)放大方面提供了重要的線索, 也為引導(dǎo)在其他植物中分離同源基因進(jìn)行功能研究提供了重要的基礎(chǔ)和思路。事實(shí)上, 到目前為止, 已經(jīng)證實(shí)的GA信號(hào)傳遞組分中大多是高度保守的, 并且, 在GA信號(hào)傳遞過(guò)程中有相似的作用3。令人振奮的是,

33、一旦新的GA信號(hào)傳遞組成元件被發(fā)現(xiàn)。使用谷類的糊粉系統(tǒng)進(jìn)行迅速、短暫的實(shí)驗(yàn)將為確定信號(hào)傳遞組分的功能提供強(qiáng)有力的幫助。借助于赤霉素在擬南芥等植物中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)模式, 利用已分離得到的GA 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的中間組分的各類突變體, 采用同源克隆、T-DNA 插入或圖位克隆等方法在棉花中克隆這些基因, 并將這些基因轉(zhuǎn)入擬南芥或其他模式植物的GA突變體中驗(yàn)證其功能, 并通過(guò)這些突變體的雜交分析, 進(jìn)一步確定各組成元件之間的上下游關(guān)系, 最后通過(guò)系統(tǒng)的基因間互作分析等研究來(lái)確定這些組分在GA信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中的功能, 最終將會(huì)揭示GA 在棉纖維分化和發(fā)育中的分子生物學(xué)機(jī)理, 為棉花生產(chǎn)的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出重大

34、貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)(References:1 SUN Jie, LI Yuan-Li, WANG Ruo-Hai, XIA Gui-Xian.Identification of genes that are specifically /preferentially expressed in developing cotton fibers by mrna fluores-cence differential display (FDD. Chinese Journal of Bio-technology, 2004, 20(1: 3942.孫杰, 李園莉, 汪若海, 夏桂先.利用mRNA熒光差異顯示

35、技術(shù)規(guī)?；Y選棉纖維特異表達(dá)基因.生物工程學(xué)報(bào), 2004, 20(1: 3942.2 ZHOU Ming-Bing, TANG Ding-Qin. Research progress of第3期 王榮等 : 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與棉纖維的分子發(fā)育 281 gibberellin biosynthesis and its key enzymes in higher plants. Journal of Zhejiang Forestry College, 2004, 21(3: 344 348. 周明兵 , 湯定欽 . 高等植物赤霉素生物合成及其關(guān)鍵酶 的研究進(jìn)展 .浙江林學(xué)院學(xué)報(bào) , 2004,

36、21(3: 344 348. 3 Thomas SG, Sun TP. Update on gibberellin signaling. A tale of the tall and the short. Plant Physiology, 2004, 135: 668 676. 4 Basra A S, Malik C P. Development of the cotton fibre. Int Rev Cytol, 1984, 89: 65 113. 5 YU Xiao-Hong, ZHU Yong- Qing, LU Shan, ZHANG Tian- Zhen, CHENG Xiao

37、 -Ya, XU Zhi Hong. Comparative research on G.hirsutum cv Xu-142 fuzzless-lintless(fl mutation. Science China (Series C , 2000, 30(5: 517 522. 于曉紅 , 朱勇清 , 盧山 , 張?zhí)煺?, 陳曉亞 , 許智宏 . 陸地 棉徐 -142 種子無(wú)毛突變體的比較研究 . 中國(guó)科學(xué) (C 輯 , 2000, 30(5: 517 522. 6 YUAN Jing, WANG Qiao-Mei, ZHANG Hai-Feng. Interactions between

38、 phytohormone signals, Journal of Cell Biology, 2005, 27: 325 328. 袁晶 , 汪俏梅 , 張海峰 . 植物激素信號(hào)之間的相互作用 . 細(xì)胞生物學(xué)雜志 , 2005, 27: 325 328. 7 Momtaz OA. Effects of plant growth regulators on in vitro fiber development from unfertilized and fertilized Egyptian cotton ovules. J Plant Growth Regul, 1998, 25: 159

39、164. 8 Olszewski N, Sun TP, Gubler F. Gibberellin signaling: biosynthesis, catabolism, and response pathways. The Plant Cell, 2002, (Suppl.: 61 80. 9 Gubler F, Chandler P, White R, Llewellyn D, Jacobsen J. GA signaling in barley aleurone cells: Control of SLN1 and GAMYB expression. Plant Physiology,

40、 2002, 129: 191 200. 10 Ogawa M, Hanada A, Yamauchi Y, Kuwahara A, Kamiya Y, Yamaguchi S. Gibberellin biosynthesis and response during Arabidopsis seed germination. The Plant Cell, 2003, 15: 1591 1604. 11 Sun TP, Gubler F. Molecular mechanism of gibberellin signaling in plants. Annu Rev Plant Biol,

41、2004, 55, 197 223. 12 LI Xiao-Bo, XU Ji-Chen, ZHU Li-Huang. Gibberellin signal transduction and plant dwarfism. China Biotechnology, 2004, 24(12: 26 31. 李曉波 , 徐吉臣 , 朱立煌 . 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與植物的矮 化 . 中國(guó)生物工程雜志 , 2004, 24(12: 26 31. 13 HUANG Zhi-Gang, LI Ling, CHEN Zhao-Ping, WEN Fang-De. SPINDLY and gibberellin

42、signaling.Chinese Bulletin of Botany, 2005, 22(1: 100 106. 黃志剛 , 李玲 , 陳兆平 , 文方德 . SPINDLY 與赤霉素的 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo) . 植物學(xué)通報(bào) , 2005, 22(1: 100 106. 14 Lovegrove A, Hooley R. Gibberellin and abscisic acid signalling in aleurone. Trends Plant Sci, 2000, 5(3: 102 110. 15 Ritchie S, Gilroy S. Gibberellins: regulating g

43、enes and germination. New Phytol, 1998, 140: 363 383. 16 Hooley R. Gibberellins: perception, transduction and responses. Plant Molecular Biology, 1994, 26(5: 1529 1555. 17 Hartweck LM, Olszewski NE. Rice GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 is a gibberellin receptor that illuminates and raises questions a

44、bout GA signaling. The Plant Cell, 2006, 18: 278 282. 18 YUAN Gao -Feng, WANG Qiao- Mei. Update on Gibberellin Signaling. Journal of Cell Biology, 2003, 25(2: 90 94. 袁高峰 , 汪俏梅 . 赤霉素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)研究進(jìn)展 . 細(xì)胞生物 學(xué)雜志 , 2003, 25(290 94. 19 Ueguchi-Tanaka M, Ashikari M, Nakajima M, Itoh H, Katoh E, Kobayashi M, Chow

45、TY, Hsing YI, Kitano H, Yamaguchi I, Matsuoka M. GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes a soluble receptor for gibberellin. Nature, 2005, 437: 693 698. 20 Futsuhara Y, Matsuoka M, Yamaguchi J. Slender rice, a constitutive gibberellin response mutant is caused by a null mutation of the SLR1 gene, an

46、orthologue of the height-regulating gene GAI/RGA/RHT/D8. The Plant Cell, 2001, 13: 999 1010. 21 Ullah H, Chen JG, Young JC, Im KH, Sussman MR, Jones AM. Modulation of cell proliferation by heterotrimeric G protein in Arabidopsis. Science, 2001, 292: 2066 2069. 22 Wang XQ, Ullah AM, Jones SM, Assmann

47、 G. Protein regulation of ion channels and abscisic acid signaling in Arabidopsis guard cells. Science, 2001, 292: 2070 2072. 23 Amador V, Monte E, Garcia-Martinez JL, Prat S. Gibberellins signal nuclear import of PHOR1, a photoperiod-responsive protein with homology to Drosophila armadillo. Cell, 2

48、001, 106: 343 354. 24 Gocal GFW, Sheldon CC, Gubler F, Moritz T, Bagnall DJ, MacMillan CP, Li SF, Parish RW. GAMYB-like genes, flowering, and gibberellin signaling in Arabidopsis. Plant Physiol, 2001, 127: 1682 1693. 25 Dill A, Thomas SG, Hu J, Steber CM, Sun TP. The Arabidopsis F-box protein SLEEPY

49、1 targets gibberellin signaling repressors for gibberellin-induced degradation. The Plant Cell, 2004, 16: 1392 1405. 26 Strader LC, Ritchie S, Soule JD, McGinnis KM, Steber CM. Recessive -interfering mutations in the gibberellin signaling gene SLEEPY1 are rescued by overexpression of its homologue,

50、SNEEZY. Proc Natl Acad Sci USA, 2004, 282 HEREDITAS (Beijing 2007 第 29 卷 101, 12771 12776. 27 Fleck B, Harberd NP. Evidence that the Arabidopsis nuclear gibberellin signalling protein GAI is not destabilized by gibberellin. Plant J, 2002, 32: 935 947. 28 Dill A, Sun TP. Synergistic de-repression of

51、gibberellin signaling by removing RGA and GAI function in Arabidopsis thaliana. Genetics, 2001, 159: 777 785. 29 Dill A, Jung HS, Sun TP. The DELLA motif is essential for gibberellin - induced degradation of RGA. Proc Natl Acad Sci USA, 2001, 98: 14162 14167. 30 Jones HD, Smith SJ, Desikan R, Plakid

52、ou-Dymock S, Lovegrove A, Hooley R. Heterotrimeric G proteins are implicated in gibberellin induction of a-amylase gene expression in wild oat aleurone, The Plant cell, 1998, 10: 245 253. 31 Silverstone AL, Jung H-s, Dill A, Kawaide H, Kamiya Y, Sun TP. Repressing a repressor: gibberellin-induced ra

53、pid reduction of the RGA protein in Arabidopsis. Plant Cell, 2001, 13: 1555 1565. 32 Itoh H, Shimada A, Ueguchi-Tanaka M, Kamiya N, Hasegawa Y, Ashikari M, Matsuoka, M. Overexpression of a GRAS protein lacking the DELLA domain confers altered gibberellin responses in rice. Plant J, 2005, 44: 669 679

54、. 33 Silverstone AL, Ciampaglio CN, Sun TP. The Arabidopsis RGA gene encodes a transcriptional regulator repressing the gibberellin signal transduction pathway. The Plant Cell, 1998, 10: 155 169. 34 Swain SM, Tseng TS, Thornton TM, Gopalraj M, Olszewski NE. SPINDLY is a nuclear-localized repressor o

55、f gibberellin signal transduction expressed throughout the plant. Plant Physiol, 2002, 129: 605 615. 35 Jacobsen SE, KALLI A, Binkowski, Olszewski NE. SPINDLY, a tetratricopeptide repeat protein involved in gibberellin signal transduction in Arabidopsis. Proc Natl Acad Sci USA, 1996, 93: 9292 9296.

56、36 Robertson M, Swain SM, Chandler PM, Olszewski NE. Identification of a negative regulator of gibberellin action, HvSPY, in barley. The Plant Cell, 1998, 10: 995 1007. 37 Robertson M. Two transcription factors are negative regulators of gibberellin response in the HvSPY-Signaling pathway in barley

57、aleurone. Plant Physiol, 2004, 136: 2747 2761. 38 Greenboim-Wainberg Y, Maymon I, Borochov R, Alvarez J, Olszewski N, Ori N, Eshed Y, Weiss D. Cross talk between gibberellin and cytokinin: The Arabidopsis GA response inhibitor SPINDLY plays a positive role in cytokinin signaling. The Plant Cell, 200

58、5, 17: 92 102. 39 Swain SM, Tseng TS, Olszewski NE. Altered expression of SPINDLY affects gibberellin response and plant development. Plant Physiol, 2001, 126: 1174 1185. 40 Fridborg I, Kuusk S, Robertson M, Sundberg E. The Arabidopsis protein SHI represses gibberellin responses in Arabidopsis and Barley. Plant Physiol, 2001, 127: 937 948. 41 Neil O, Sun TP, Frank G. Gibberellin signaling: biosynthesis, catabolism, and response pathway