植物激素赤霉素（GA）在植物发育的许多方面都有重要作用，包括种子萌发、细胞和茎的伸长、叶片扩展、花和果实发育【1】。目前，GA信号通路研究的比较清楚，GA结合GID1受体 (GIBBERELLIN-INSENSITIVE DWARF1)，促进GID1与转录抑制因子DELLA结合，形成GID1-GA-DELLA复合体，进一步促进DELLA与SCF E3泛素连接酶复合体中的F-Box蛋白互作，从而引起DELLA的泛素化，并被26S蛋白酶体降解【2】。
GID1s在进化中比较保守，在单子叶中只有一类，而在双子叶中有A类和B类。GID1首先在水稻中被鉴定，gid1-1突变体展示出矮化和GA不敏感的表型。水稻中仅有一个GID1基因，而拟南芥中有三个同源的GID1基因，分别为GID1a、GID1b、GID1c。GID1a和GID1c属于A类型，而GID1b属于B类型。拟南芥中的这个三个GID1基因功能冗余，对GA的响应有所不同。由于拟南芥中有五个DELLA，使得解析每个GID1基因功能较为困难。在番茄中，有三个GID1基因【3】，一个DELLA蛋白，使番茄成为研究GA同源受体基因功能的理想系统，为研究多个GA受体在植物发育中的重要作用提供了理想材料。
近日，以色列希伯来大学David Weiss研究团队在The Plant Cell上发表了题为Multiple Gibberellin Receptors Contribute to Phenotypic Stability under Changing Environments 的研究论文，该研究通过CRISPR-Cas9技术产生了番茄GID1三个受体的突变体，而通过杂交，回补和外源激素处理，确定了不同的GID1在不同的发育阶段和环境条件下的功能不同，为番茄中GA信号的研究提供了新的见解。
研究人员首先将番茄中的三个GID1基因分别命名为：GID1a，GID1b1，GID1b2。为确认发挥GA受体的作用，将这三个基因分别转化进入拟南芥的gid1agid1c中，发现所有的基因都能回补拟南芥GID1缺失的半矮化表型。生化试验发现，三个GID1与PRO（DELLA蛋白）都有稳定的互作，表明这三个基因确实为GA受体基因。在番茄M82（野生型）中通过CRISPR-Cas9系统分别产生了GID1a，GID1b1和GID1b2突变体。然而，单个突变体并没有明显的表型，通过杂交获得了GID1的三突gid1TRI，该突变体显示出明显的矮化，生长缓慢，育性降低，并且纯合不萌发的表型。而PRO的功能获得型过表达材料也表现出矮化的表型，并且对外源施加GA不敏感。
图1 番茄的GID1s
为研究GID1s三个基因特异性的功能，分别将突变体两两杂交，获得gid1agid1b1、gid1b1gid1b2和gid1agid1b2双突突变体，相比于M82，gid1agid1b2种子显示出萌发率降低和延迟的特点，其它突变体没有明显的差异。而在上胚轴和叶片发育的检测中发现，gid1a茎有微弱的变短，gid1b1gid1b2上胚轴的长度与M82没有差异，而叶片表现出减小的表型，gid1agid1b1展示出半矮化的表型。这些结果表明GID1a在种子萌发、茎的伸长的叶片的生长中有重要作用。
为更好的分析GID1的功能，研究人员对三个GID1基因在M82的不同组织中进行分析，发现GID1b1在种子、根和花中有高的表达。而在茎和幼叶中，GID1a和GID1b1的表达水平一致。GID1b2在所有的组织中表达量较低。GID1a在茎、种子和根中相对低的表达并不能解释GID1a的功能。为进一步研究它的功能，通过在外源施加不同浓度的GA在酵母中观察GID1s与PRO的结合情况，发现GID1a有强的结合能力，而GID1b1有弱的结合。而通过GA处理发现，仅有GID1a在番茄茎的发育中产生功能。
GIDs在不同的环境条件下作用不同
前期的研究已经表明，GA能够增加气孔的开度从而促进蒸腾。为更深入的研究GIDs的功能，研究人员将不同的突变体材料置于不同的生长环境条件下。在正常的生长条件下，一些gid1agid1b2展示出明显的矮化表型，通过对一系列生长参数的测定，发现GID1a在表型的稳定性方面有重要的作用。而在不利的生长条件下，gid1agid1b2展示出稳定的表型，表明GID1b1在不利的生长条件下有重要的功能。这些结果说明，在不利的环境条件下，番茄的三个GID1基因功能不存在冗余，对维持表型都发挥着重要作用。
综合以上研究结果，研究人员通过CRISPR-Cas9技术获得了三个GID1的突变体，并通过杂交获得了双突和三突材料，通过表型和分子实验分析了在不同的发育阶段，不同的GID1作用不同，并在不同的生长条件鉴定了单个GID1基因的功能，为进一步研究番茄中GA信号提供了理论依据。
参考文献
【1】 Colebrook, E.H., Thomas, S.G., Phillips, A.L., and Hedden, P.(2014). The role of gibberellin signalling in plant responses to abiotic stress. J. Exp. Biol. 217: 67–75. 866
【2】 Gallego-giraldo, C., Hu, J., Urbez, C., Gomez, M.D., Sun, T.-p., and Perez- Amador, M.A.(2014). Role of the gibberellin receptors GID1 during fruit- set in Arabidopsis. Plant J. 79: 1020–1032.
【3】Carrera, E., Ruiz-rivero, O., Peres, L.E.P., Atares, A., and Garcia- martinez, J.L. (2012). Characterization of the procera tomato mutant shows novel functions of the SlDELLA protein in the control of flower morphology, cell division and expansion, and the auxin-signaling pathway during fruit-set. Plant Physiol. 160, 1581–1596.
www.plantcell.org/content/early/2019/05/10/tpc.19.00235
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