Multiple Gibberellin Receptors Contribute to Phenotypic Stability under Changing Environments

多種赤霉素受體有助于環境變化下的表型穩定性

摘要：植物赤霉素GA響應的多效性和復雜性多依賴于由受GA激活的GID1受體所介導的DELLA蛋白的靶向蛋白酶解。番茄基因組編碼一個DELLA蛋白PRO和三個受體GID1a、GID1b1和GID1b2，這些可能參與了特異性的GA響應。在本文中，作者利用CRISPR-Cas9系統構建了一個gid1突變體，并且研究了該突變體在GA響應方面的影響。gid1三突植株十分矮小，并且對于GA完全不敏感。在最優生長條件下，這三個受體功能存在冗余，而且gid1單突植株的表型改變并不明顯。在這三個受體中，GID1a對于萌發和生長的作用最為強烈。酵母雙雜試驗顯示GID1a與PRO具有最高的親和力。對于只有一個激活受體的株系的分析顯示GID1a具有延長GA響應的獨特作用，并且該功能只有在高劑量的時候達到飽和。當gid1突變體生長在環境不穩定的大田條件下，這些突變體植株的表型也不是很穩定，不同GID1蛋白的冗余性消失，同時gid1a突變體的矮化程度要比gid1b更加嚴重。本文的研究結果顯示番茄中存在多個GA受體作用于極端環境條件下的表型穩定。

圖1.番茄的GID1s

為確認發揮GA受體的作用，將GID1a，GID1b1，GID1b2這三個基因分別轉化進入擬南芥的gid1agid1c中，發現所有的基因都能回補擬南芥GID1缺失的半矮化表型。生化試驗發現，三個GID1與PRO（DELLA蛋白）都有穩定的互作，表明這三個基因確實為GA受體基因。在番茄M82（野生型）中通過CRISPR-Cas9系統分別產生了GID1a，GID1b1和GID1b2突變體。然而，單個突變體并沒有明顯的表型，通過雜交獲得了GID1的三突gid1TRI，該突變體顯示出明顯的矮化，生長緩慢，育性降低，并且純合不萌發的表型。而PRO的功能獲得型過表達材料也表現出矮化的表型，并且對外源施加GA不敏感。

圖2. 環境生長條件下GA 傳感的冗余損失

圖3. GIDs在不同的環境條件下作用不同

為更深入的研究GIDs的功能，研究人員將不同的突變體材料置于不同的生長環境條件下。在正常的生長條件下，一些gid1agid1b2展示出明顯的矮化表型，通過對一系列生長參數的測定，發現GID1a在表型的穩定性方面有重要的作用。而在不利的生長條件下，gid1agid1b2展示出穩定的表型，表明GID1b1在不利的生長條件下有重要的功能。這些結果說明，在不利的環境條件下，番茄的三個GID1基因功能不存在冗余，對維持表型都發揮著重要作用。