菠萝赤霉素2-氧化酶基因AcGA2ox6通过赤霉素代谢负调控开花的分子机制及其在乙烯诱导同步开花中的应用价值

《Plant Physiology and Biochemistry》：Overexpression of pineapple gibberellin 2-oxidase gene AcGA2ox6 in Arabidopsis induces delayed flowering, dwarfism, and enhanced leaf serration

本研究揭示了菠萝赤霉素2-氧化酶基因AcGA2ox6通过降解活性赤霉素（GA）抑制植物生长和开花的关键作用。转基因拟南芥实验表明，AcGA2ox6过表达导致矮化、叶片深绿锯齿化及开花延迟（与FLC上调、SOC1/FT下调相关），且外源GA3可完全回补表型。研究进一步发现乙烯利诱导菠萝开花伴随AcGA2ox6下调，为乙烯-GA互作调控作物开花提供了分子证据。

　　

Highlight

Plant material and growth conditions

菠萝植株（品种‘Comte de Paris’）种植于中国漳州。选取13月龄均匀植株进行人工催花，每株施用50 ml 600 mg/L乙烯利（方法参照Li等2016）。处理后于特定时间点（0天、6小时、1天、4天、7天和14天）采集茎尖组织，液氮速冻后于-80°C保存用于RNA提取。

拟南芥（哥伦比亚生态型Col-0）野生型与转基因株系播种于MS培养基，光照培养箱中生长（22°C，16/8小时光暗周期）。7天后移栽至营养土（泥炭:蛭石=2:1），相同条件下培养至表型观察结束。

Cloning and characterization of AcGA2ox6

基于前期转录组测序结果（Liu等2021），我们设计特异性引物（AcGA2ox6-P1/P2）克隆了在菠萝成花过程中差异表达的AcGA2ox6基因。序列分析显示其编码区全长1197 bp，编码398个氨基酸（预测分子量42.98 kDa，等电点8.04），序列已提交GenBank（登录号PQ562868.1）。

通过同源性检索与系统进化分析，发现AcGA2ox6属于C₁₉-GA2ox亚家族，与拟南芥AtGA2ox6亲缘关系最近。多重序列比对显示其包含保守的2OG-FeII_Oxy结构域（含His-Asp标签和Arg-Ser双残基），这是GA2ox家族催化活性的关键特征。

Discussion

GA2oxs在植物中形成多基因家族。例如拟南芥有9个成员（Han和Zhu, 2011），大豆和水稻分别有10和11个（Han和Zhu, 2011），而紫薇包含22个GA2oxs（Wei等2024）。近期在菠萝基因组中鉴定出42个GA2ox基因（AcGA2ox1至AcGA2ox42）（Zhu等2023），这些蛋白长度介于150-526个氨基酸之间，被分为四类。

本研究克隆的AcGA2ox6属于C₁₉-GA2ox亚家族，该亚家族成员通常以活性GA（GA₁/GA₄）及其前体（GA₉/GA₂₀）为底物（Schomburg等2003）。系统进化分析显示AcGA2ox6与拟南芥AtGA2ox6亲缘最近，后者被证实可代谢GA₉和GA₄（Rieu等2008）。保守域分析发现AcGA2ox6包含典型的2OG-FeII_Oxy超家族结构域，其活性位点含特征性His-Asp标签（H234/D236）和Arg-Ser双残基（R289/S290），这些结构与底物特异性及催化效率密切相关（Lange和Pimenta Lange, 2020）。

亚细胞定位实验表明AcGA2ox6定位于细胞质，这与多数GA2oxs的分布模式一致（Yan等2021）。在菠萝中，AcGA2ox6在茎尖高表达且受乙烯利处理显著下调，暗示其可能通过调控局部GA水平影响花原基形成。

转基因拟南芥过表达AcGA2ox6表现出典型GA缺陷表型：矮化、深绿锯齿叶、开花延迟（短日照下更显著）及花器官发育异常。这些表型与过表达其他GA2oxs的报道一致（Schomburg等2003；Yan等2017）。外源GA₃处理可完全回补开花延迟及其他缺陷，直接证明AcGA2ox6通过降解活性GA发挥作用。

分子机制上，qRT-PCR显示转基因植株中开花抑制因子FLC显著上调，而开花促进因子SOC1和FT下调。这与GA信号通路核心抑制因子DELLA蛋白的稳定性增加相一致（Wang等2016）。RNA-seq分析进一步揭示了叶片发育和叶绿素代谢相关基因的全局性转录重编程。

最重要的是，我们在菠萝中发现乙烯利诱导开花伴随AcGA2ox6下调，表明乙烯可能通过抑制该基因表达提升活性GA水平，进而促进开花。这一发现为作物花期调控提供了新靶点。

Conclusion

本研究证实AcGA2ox6是一种功能性GA2ox，通过降解活性GA负调控植物生长和开花。在菠萝中，乙烯利诱导的开花与AcGA2ox6下调密切相关，揭示了乙烯-GA互作调控作物花期的分子桥梁。该基因为改良菠萝及其他作物花期同步化提供了潜在靶标。