桂花GATA转录因子OfGATA9通过调控细胞扩张正向调节花大小的分子机制研究

本研究针对观赏植物桂花花朵尺寸较小的产业瓶颈，首次鉴定到GATA家族转录因子OfGATA9在花器官发育中的关键作用。通过分子生物学实验证实OfGATA9在花开放早期显著上调表达，且其表达水平与不同品种的花大小呈正相关。转基因烟草实验证明OfGATA9过表达能通过促进细胞扩张显著增大花器官尺寸，转录组分析揭示其通过调控EXLB1、XTHs、bHLHs、ERFs、Auxin/IAAs等多类细胞扩张相关基因的表达发挥作用。该研究为桂花花型分子育种提供了重要理论依据和候选靶基因。

　　

在观赏植物育种领域，花朵尺寸是决定观赏价值和经济价值的关键性状之一。桂花（Osmanthus fragrans）作为中国传统名花，虽以馥郁芬芳著称，但其花朵相对较小的特征限制了观赏价值的进一步提升。以往研究表明，花朵发育过程涉及复杂的细胞分裂与扩张调控网络，其中扩张蛋白（expansins）、木葡聚糖内转葡糖基酶/水解酶（xyloglucan endotransglycosylase/hydrolase, XTHs）等细胞壁修饰蛋白，以及bHLH、MYB、ERF等多类转录因子共同参与调控。然而，对于GATA家族转录因子在花器官发育特别是花大小调控中的作用，尤其在木本观赏植物中的功能仍知之甚少。

为解析桂花花大小调控的分子机制，Wang等研究人员在《BMC Genomics》上发表了最新研究成果。他们通过分子生物学、遗传转化和组学分析等多种技术手段，鉴定到一个关键转录因子OfGATA9，系统揭示了其在调控花器官细胞扩张和花大小中的核心作用及分子网络。

本研究主要采用以下关键技术方法：利用RT-qPCR进行基因表达模式分析；通过系统进化树构建和多序列比对进行蛋白分类；采用农杆菌介导的烟草瞬时转化进行亚细胞定位；通过稳定遗传转化获得过表达转基因烟草株系；使用扫描电镜进行表皮细胞形态观察；采用RNA-seq转录组测序进行差异表达基因分析。

表达水平与花大小正相关

研究人员发现OfGATA9在桂花'金秋桂'品种的花开放早期（S1-S4阶段）表达显著上调。更重要的是，在不同桂花品种中，OfGATA9的表达水平与花直径呈正相关，在大花品种（如'金秋桂'、'大花金桂'等）中表达显著高于小花品种（如'玉玲珑'、'小叶苏桂'等），暗示其可能参与花大小的调控。

保守的GATA家族转录因子

序列分析表明OfGATA9编码一个含有GATA型锌指结构域（C-X₂-C-X₁₈-C-X₂-C）的典型转录因子，系统进化分析将其归类为GATA家族第I亚族。亚细胞定位实验证实OfGATA9定位于细胞核，符合其转录因子的功能特征。

过表达导致花器官增大

为验证功能，研究人员在烟草中异位过表达OfGATA9。结果表明转基因烟草花朵显著增大，花冠直径增加30%-36%，花冠筒直径增加17%-26%。细胞学观察发现花瓣表皮细胞面积显著增大，表明OfGATA9通过促进细胞扩张而非细胞分裂来增大花器官。

调控网络涉及多类细胞扩张相关基因

转录组分析发现OfGATA9过表达导致887个基因上调和596个基因下调。GO富集分析显示差异基因显著富集于细胞壁大分子代谢过程、细胞周边等与细胞扩张相关的生物学过程。具体而言，多个细胞壁修饰基因（NtEXLB1、NtXTH24、NtXTH23、NtXTH15）以及12个ERF家族基因、2个SAURs、3个Auxin/IAA基因和5个MYB-like基因表达上调，而5个bHLH转录因子表达下调。此外，还检测到MADS-box基因（如AP1和MADS4）的表达变化。

本研究首次在木本观赏植物中鉴定到GATA家族转录因子OfGATA9通过调控细胞扩张相关基因表达来正向调节花大小的新功能。实验证实OfGATA9在花开放早期表达上调，其表达水平与不同桂花品种的花大小正相关。转基因实验证明OfGATA9过表达能通过促进细胞扩张显著增大花器官，转录组分析揭示了其通过调控EXLB1、XTHs、bHLHs、ERFs、Auxin/IAAs等多类基因构建的复杂调控网络。

该研究不仅拓展了对GATA转录因子在花器官发育中功能的认识，更重要的是为桂花花型分子育种提供了有价值的候选基因和理论依据。研究发现的OfGATA9及其调控的下游基因网络可为未来通过基因工程手段培育大花型桂花品种提供多个分子靶点，具有重要的理论和应用价值。同时，研究建立的实验体系和分析方法也为其他观赏植物花型改良研究提供了参考。