Plant Journal | 河北农业大学揭示苹果株高调控的“双重刹车”机制

矮化密植是苹果产业的主流趋势，但致矮的分子调控机制尚未完全解明。近日，河北农业大学林学院、河北省林木种质资源与森林保护重点实验室、科技部“李保国山区开发与林果产业创新团队”在The Plant Journal上发表了题为The MdSLR1b-MdKNOX15-MdGA20ox2/MdGA2ox7 module regulates dwarfing by mediating the gibberellin pathway in apple的研究论文，揭示了KNOX转录因子MdKNOX15通过“双重刹车”机制——既直接调控赤霉素（GA）代谢基因降低GA水平，又与DELLA蛋白MdSLR1b互作增强GA信号抑制——协同抑制苹果茎伸长，从而调控株高。该研究为苹果矮化育种提供了全新的分子靶点。

株高由什么决定？

植物高度是影响作物产量、抗倒伏性和种植密度的关键农艺性状。20世纪的“绿色革命”很大程度上归功于小麦和水稻中半矮秆等位基因的广泛推广——这些基因通过降低株高、增强抗倒伏性，将更多光合产物分配给籽粒，大幅提高了谷物产量。其遗传基础在于赤霉素（GA）代谢或信号通路的功能缺失突变：水稻sd1突变影响GA20 oxidase（GA生物合成酶），导致GA缺乏；小麦Rht突变体编码突变的DELLA蛋白，无法被GA降解，导致GA不敏感型矮化。这两种机制代表了调控株高的经典分子途径。

苹果（Malus domestica）是全球四大果树之一，培育紧凑型、矮化或半矮化品种一直是育种计划的核心目标。然而，KNOX转录因子在木本多年生植物中的功能角色，尤其是在调控苹果树形和株高方面的作用，仍知之甚少。

MdKNOX15：矮化品种中的“高表达选手”

研究团队首先发现，MdKNOX15在苹果短枝型品种和矮化砧木中显著高表达，而在普通型品种和乔化砧木中表达较低。内源激素含量分析显示，短枝型品种和矮化砧木的GA水平显著低于普通型品种和乔化砧木。这一相关性提示，MdKNOX15可能通过影响GA含量参与株高调控。

图1 |MdKNOX15在不同苹果品种中的表达及GA含量分析

过表达MdKNOX15：矮化表型与GA缺乏

为阐明MdKNOX15的功能，研究团队在苹果‘GL-3’中过表达了MdKNOX15。结果显示，转基因植株呈现出明显的矮化表型，株高仅为野生型的30-40%。内源GA水平显著下降，而生长素、油菜素内酯和细胞分裂素水平无显著变化。与之相反，利用病毒诱导的基因沉默（VIGS）降低MdKNOX15表达水平后，植株生长显著促进，内源GA含量显著升高。这些结果表明，MdKNOX15通过抑制内源GA积累，进而导致矮化。

图2 |MdKNOX15过表达与敲低对苹果株高和GA含量的影响

外源GA“救场”，抑制剂“补刀”

为进一步验证GA水平变化对株高的影响，研究团队对MdKNOX15过表达植株喷施不同浓度的外源GA3。结果显示GA处理部分恢复了过表达植株的株高和节间长度，且随着浓度升高，过表达植株与野生型的差异逐渐缩小。而喷施GA生物合成抑制剂烯效唑（Uniconazole，UCZ）则进一步加剧了矮化表型。这些结果确认了MdKNOX15通过抑制内源GA积累导致苹果矮化。

图3 |外源GA与烯效唑处理对MdKNOX15转基因植株的影响

MdKNOX15的“双面调控”：激活降解酶、抑制合成酶

为深入解析分子机制，研究团队整合了RNA-seq和DAP-seq数据，鉴定出MdKNOX15的直接靶基因——GA降解酶基因MdGA2ox7和GA合成酶基因MdGA20ox2。MdKNOX15通过结合靶基因启动子中的(T)TGAC基序，激活MdGA2ox7表达、抑制MdGA20ox2表达。EMSA、Y1H、ChIP-qPCR和双荧光素酶报告实验进一步验证了这一调控关系。

图4 |MdKNOX15靶向调控MdGA2ox7和MdGA20ox2

MdKNOX15与DELLA蛋白MdSLR1b的“联手”

GA信号通路通过以DELLA家族转录调控因子为中心的“去抑制”机制运作。研究团队通过酵母双杂交筛选，鉴定出与水稻SLR1高度同源的DELLA家族成员MdSLR1b。

通过一系列蛋白互作实验（Y2H、GST pull-down、LCA、BiFC）证实，MdKNOX15与MdSLR1b在细胞核内直接互作。更重要的是，MdKNOX15显著延缓了MdSLR1b的降解——尤其是在GA存在的情况下，MdSLR1b蛋白水平得以维持。这表明MdKNOX15通过蛋白-蛋白互作增强MdSLR1b的稳定性，从而强化其对GA信号的抑制。

图5 |MdKNOX15与MdSLR1b互作并稳定MdSLR1b蛋白

MdSLR1b：负调控株高的“刹车片”

MdSLR1b过表达导致拟南芥出现明显的矮化表型；而利用VIGS敲低苹果中的MdSLR1b则显著促进了株高生长。在MdKNOX15过表达背景中敲低MdSLR1b，株高和节间长度显著恢复，并伴随MdGA2ox7表达下降、MdGA20ox2表达上升。双荧光素酶报告实验表明，MdSLR1b进一步放大了MdKNOX15对MdGA2ox7启动子的激活作用和对MdGA20ox2启动子的抑制作用。

图6 |MdKNOX15与MdSLR1b协同调控株高和靶基因

“双重刹车”模型：矮化的新机制

综上所述，研究团队提出了MdKNOX15介导的“双重刹车”模型：

• 第一重刹车：MdKNOX15直接抑制GA合成基因MdGA20ox2、激活GA降解基因MdGA2ox7，降低生物活性GA水平；
• 第二重刹车：MdKNOX15与DELLA蛋白MdSLR1b互作，延缓其降解，增强对GA信号通路的抑制。

两者协同作用，阻断细胞伸长，导致苹果矮化。反之，MdKNOX15敲低则加速MdSLR1b降解，削弱GA信号抑制，GA含量升高，植株旺盛生长。

图7 |MdKNOX15调控苹果株高的分子模型

综上所述，该研究不仅从理论上丰富了木本植物株高调控的分子网络，也为苹果等多年生果树的矮化育种提供了可操作的基因编辑靶点。

论文共同第一作者为河北农业大学林学院、河北省林木种质资源与森林保护重点实验室闫蕊、曾欣凤和河北农业大学华北作物改良与调控国家重点实验室王媛，通讯作者为河北农业大学林学院、河北省林木种质资源与森林保护重点实验室贾鹏、齐国辉和张雪梅。

该研究得到了河北省农林科学院和西北农林科技大学等单位的大力支持；试验过程中，西北农林科技大学张东教授、山东农业大学姜翰副教授、河北农业大学董庆龙副教授和董海焦实验师给予了指导和帮助。该研究得到国家自然科学基金项目、河北省现代农业产业技术体系苹果产业创新团队老果园连作障碍克服与重建岗位、河北省自然科学基金项目资助。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/tpj.71137