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应用粮食作物中的矮化品种,使粮食产量得到巨大的提高,这是“绿色革命”最重要的特点。农作物的矮化植株具有抗风雨、抗倒伏和生物消耗少等特点,更重要的是提高了收获指数,从而显著地增加产量,成为了农业生产中理想的性状。迄今为止,绿色革命中所应用的小麦和水稻半矮化性状基因已经被鉴定和克隆。本文报道了一种新的自然突变产生的小麦矮化突变体,因其茎杆的生长对外源赤霉素不敏感,并且赤霉素信号转导途径被阻断,将此突变体命名为gaid(GAinsensitive dwarf wheat)。
矮化突变体gaid的表皮细胞长度明显短于野生型,导致植株矮化。矮化突变体gaid开花时间也明显晚于野生型小麦。小麦赤霉素信号转导途径的负调控因子Rht,在野生型和gaid矮化突变体中的转录水平一致,但是在蛋白水平上,外源赤霉素处理后,gaid矮化突变体中的Rht不能像野生型中一样被降解。采用蛋白质组学方法,比较gaid矮化突变体和野生型小麦总蛋白谱发现,一种类亲环蛋白(TaCYP20-2)在突变体中的含量显著高于野生型中。免疫印记实验也证明了这一结果。亲环蛋白是一类在原核生物和真核生物中都保守存在的肽基脯基顺-反异构酶。我们从京冬1号野生型小麦中克隆到类亲环蛋白基因,TaCYP20-2。生化实验证明该基因编码的蛋白具有肽基脯基顺-反异构酶活性,而且主要定位在叶绿体和细胞膜上。Ta CYP20-2基因的转录本受到24-epiBL和GA3诱导。观察超表达TaCYP20-2基因小麦,发现其具有与gaid矮化突变体类似的表型。这些结果表明TaCYP20-2蛋白的累积是造成gaid矮化的原因,Ta CYP20-2是参与小麦植株发育的新组分。
由于小麦具有庞大的6倍体基因组(约17000 Mb),对其进行分子生物学操作存在困难。为了具体研究TaCYP20-2基因的功能,在拟南芥中超表达TaCYP20-2基因,结果表明,TaCYP20-2基因通过调控开花自主途径,促进开花抑制因子FLC表达,造成转基因拟南芥的晚花表型。体外实验证明,TaCYP20-2蛋白能够与油菜素内酯信号转导途径的转录因子AtBZR1相互作用。在出现BZR1活性增强表型的mBZR1-CFP超表达拟南芥背景下,超表达TaCYP20-2基因可恢复其表型,并且累积能够被泛素化蛋白酶系统降解的磷酸化形式的BZR1,以降低BZR1的活性。综合上述多种结果表明,TaCYP20-2是通过参与调节赤霉素和油菜素内酯信号转导途径关键组分的降解,调控植物发育的新组分。