赤霉素信号通路调控拟南芥果胶生物合成：解锁植物生长发育的关键密码

果胶在植物生命活动中意义重大，但其生物合成受植物激素影响的机制不明。研究人员聚焦拟南芥，探究赤霉素（GA）对果胶合成的作用。结果发现 GA 促进果胶合成，且 GA-DELLA-MBW-TTG2 信号级联至关重要。该研究揭示了新机制，为植物发育研究提供方向。

　　在植物的微观世界里，细胞壁中的果胶就像一座坚固城堡的砖石，对植物的生长发育起着至关重要的作用。果胶不仅参与细胞间的黏附，维持细胞壁的完整性，还在植物感知外界环境变化中扮演重要角色。然而，尽管科学家们在果胶生物合成的调控机制研究上取得了一些进展，但植物激素在这个过程中究竟扮演着怎样的角色，仍然是一个未解之谜。

为了揭开这个谜团，中国科学院青岛生物能源与过程研究所等单位的研究人员开展了一项关于拟南芥的研究。他们将目光聚焦在赤霉素（GA）上，试图探究 GA 对果胶生物合成的影响及其潜在机制。这项研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们理解植物生长发育的调控机制提供了新的视角。

研究人员采用了多种技术方法来开展这项研究。在植物材料方面，他们选用了拟南芥的不同生态型和突变体，如 Landsberg（Ler）、Columbia-0（Col-0），以及 ga1-3、dellaD 等突变体。在基因表达分析上，运用 CTAB 法或 TransZol 试剂提取 RNA，经逆转录合成 cDNA 后进行 qPCR 反应，以 ACTIN2 为内参计算基因相对表达量。通过显微镜观察种子黏液表型、发育种子切片和细胞黏附情况。利用免疫标记测定和 ELISA 检测果胶相关成分。还借助酵母双杂交（Y2H）、分裂荧光素酶互补（split-LUC）、免疫共沉淀（co-IP）等技术探究蛋白间相互作用 。

研究结果主要包括以下几个方面：

• GA 对拟南芥种皮果胶生物合成的关键作用：研究人员通过对野生型拟南芥施加过量的 GA₃（GA 的一种活性形式）或 GA 生物合成抑制剂多效唑（PAC），发现 GA₃处理显著增加了种子黏液的积累，而 PAC 处理则显著降低了黏液水平。同时，GA 缺陷型突变体 ga1-3 和 GA 生物合成突变体 ga3ox1-3 的种子黏液产量也显著减少，且外源施加 GA₃可恢复其黏液产量。这些结果表明，GA 对种子黏液中果胶的生物合成具有正向调控作用。
• DELLA 蛋白抑制 GA 介导的种皮果胶生物合成：DELLA 蛋白作为 GA 信号的负调控因子，其表达与种子黏液合成基因的表达呈负相关。研究发现，DELLA 蛋白缺陷型突变体 dellaD、dellaQ 和 dellaP 的种子黏液含量显著增加，且对 GA₃或 PAC 处理不敏感。此外，通过细胞学观察和免疫标记测定等实验，证实了 DELLAs 蛋白在抑制 GA 介导的种子黏液产生中部分冗余，RGA 和 GAI 起主要作用。
• DELLAs 与 MBW 复合体成分相互作用：为了探究 DELLAs 影响果胶生物合成的分子机制，研究人员进行了一系列酵母双杂交实验。结果显示，不同的 DELLAs 蛋白与 MBW 复合体的成分（如 TTG1、MYB5、TT2 等）存在相互作用。进一步通过 split-LUC 和 co-IP 等实验验证了这些相互作用在植物细胞中真实存在。
• DELLAs 阻碍 MBW 复合体的组装和活性：split-LUC 和 co-IP 等实验表明，DELLAs 与 MBW 复合体成分的相互作用会干扰 MBW 复合体的组装，降低其转录调控活性。例如，GA₃处理可增强 MYB5 与 GL2 启动子的结合，而 PAC 处理则减弱这种结合，说明 DELLAs 会影响 MBW 复合体对下游基因的激活作用。
• DELLAs 与 TTG2 相互作用并干扰 TTG2-GL2 调控途径：研究发现 DELLAs 与 TTG2 存在物理相互作用，且这种相互作用会干扰 TTG2 对 GL2 的转录调控。GA₃处理可增强 TTG2 与 GL2 启动子的结合，而 PAC 处理则减弱这种结合，同时 GAI 的引入会抑制 TTG2 介导的 pGL2:LUC 表达激活。
• DELLAs 阻碍 TTG2 与 MBW 蛋白的相互作用和协同效应：split-LUC、co-IP 和 Y3H 等实验表明，DELLAs 会抑制 TTG2 与 MBW 蛋白（如 MYB5、EGL3、TTG1）之间的相互作用。双荧光素酶（dual-LUC）实验显示，DELLAs 会减弱 MYB5 或 EGL3 对 TTG2 激活 pGL2:LUC 表达的增强作用，表明 DELLAs 阻碍了 TTG2 与 MBW 蛋白的协同效应。
• GA-DELLA 信号通过 MBW 蛋白和 TTG2 调节种子黏液生物合成：通过构建 ttg1-1 dellaD 和 ttg2-1 dellaD 三重突变体，研究发现 TTG1 和 TTG2 在黏液生物合成中对 DELLAs 上位。GA₃处理可促进野生型拟南芥的黏液产生和相关基因表达，但对 ttg1-1、myb5-2 或 ttg2-1 突变体无此作用。此外，过表达 MYB5 可部分或完全恢复 GA 缺陷型突变体的黏液产生缺陷，证明 MYB5 在 GA 信号介导的黏液生物合成中起关键作用。
• GA-DELLA-MBW-TTG2 模块介导的果胶生物合成有助于 GA 调节幼苗生长：研究发现，GA₃处理可促进幼苗生长并增加果胶含量，而 PAC 处理则抑制幼苗生长并降低果胶含量。ga1-3、ttg1-1 和 ttg2-1 幼苗的果胶含量降低，生长受阻，且对 GA₃处理不敏感。在黑暗条件下，ga1-3、ttg1-1 和 ttg2-1 幼苗的下胚轴伸长受抑制，细胞黏附存在缺陷，而 dellaP 幼苗则表现出相反的表型。这些结果表明，GA-DELLA-MBW-TTG2 信号模块通过调节果胶生物合成影响幼苗生长和细胞黏附。

研究结论和讨论部分强调了该研究的重要意义。该研究揭示了 GA-DELLA-MBW-TTG2 信号模块在调节果胶生物合成中的关键作用，为理解植物生长发育的调控机制提供了新的线索。果胶作为细胞壁的重要组成部分，其生物合成的调控对植物的生长、发育和抗逆性具有重要影响。该研究结果为进一步研究植物激素与细胞壁成分之间的关系奠定了基础，也为通过调控果胶生物合成来改善植物生长和提高作物产量提供了理论依据。未来，研究人员可以进一步探究该信号模块在不同植物物种中的保守性和特异性，以及其他植物激素与果胶生物合成之间的相互作用，从而更全面地揭示植物生长发育的调控网络。