芒果（Mangifera indica L.）是一種享有盛譽的熱帶水果，以其獨特的風味和豐富的營養成分而聞名。矮化栽培技術的應用使得樹木更小、更易于管理，具有早果、高產和穩定生產等優良特性，已成為芒果產業的主要趨勢。研究表明，植物高度與赤霉素（GA）的合成和代謝密切相關，其生物合成涉及多個中間體，其中GA1、GA3、GA4和GA7具有最高的生物活性，被稱為活性GA。維持GA的穩態對于優化植物生長和發育至關重要，因此，對GA生物合成的研究在不同物種中得到了廣泛的開展。廣西亞熱帶作物研究所的莫永龍團隊（第一作者張宇博士）在《International Journal of Molecular Sciences》期刊上發表文章Over Expression of Mango MiGA2ox12 in Tobacco Reduced Plant Height by Reducing GA1 and GA4 Content，鑒定出芒果中的MiGA2ox12基因可能通過調節赤霉素含量來控制植物的高度。
研究材料：芒果（Mangifera indica L.）、煙草
技術方法：生物信息學分析、煙草轉化、表型觀察測量、高效液相色譜測定、實時熒光定量PCR
1. 鑒定和特征化芒果中的MiGA2ox蛋白
研究團隊通過使用擬南芥的8個GA2ox序列(AtGA2oxs)，對芒果基因組進行全面分析，成功鑒定出14個MiGA2ox蛋白，并根據其在染色體上的位置命名。這些蛋白具有不同的結構特點，如外顯子數量、氨基酸長度、分子質量、等電點等。由于具有保守的PLN02156或PLN02984域和獨特的motif，這些MiGA2ox蛋白能夠被分類為三個不同的組，表明它們可能在功能上存在差異。
圖1. MiGA2ox 基因家族的鑒定和生物信息學分析
2. MiGA2ox蛋白的進化分析
通過構建基于最大似然（ML）方法的系統發育樹，研究者將芒果、擬南芥和水稻的GA2ox蛋白分為三個不同的亞組：C19-GA2oxI、C19-GA2ox-II和C20-GA2ox-I。這一分類基于它們的底物特異性，其中MiGA2ox6、MiGA2ox8和MiGA2ox9被歸入C19-GA2ox-I亞組，而MiGA2ox1、MiGA2ox7、MiGA2ox12和MiGA2ox13則屬于C19-GA2ox-II亞組。這種分類揭示了MiGA2ox蛋白可能的底物特異性和進化關系。
圖2. 芒果、水稻和擬南芥的 GA2ox 蛋白家族的 ML 系統發育分析3.MiGA2ox啟動子中的順式作用元件和轉錄因子結合位點
研究還對MiGA2ox基因的啟動子序列進行了分析，以預測其順式作用元件和轉錄因子結合位點。這些元件與植物的生長、發育、激素調節和非生物脅迫響應相關。研究特別發現MiGA2ox基因的啟動子區域含有多種順式作用元件，這表明其在調節芒果生長和發育以及響應脅迫和激素信號中可能發揮重要作用。
圖3. 存在于 MiGAox 啟動子中的順式作用元件4.MiGA2ox基因的表達
利用RNA-seq數據分析MiGA2ox基因在不同芒果組織中的表達模式，結果顯示，MiGA2ox1、MiGA2ox10、MiGA2ox11和MiGA2ox12在特定組織中表達量較高，而其他基因在所有檢測的組織中的表達水平相對較低。特別是MiGA2ox12在根、樹皮、葉和花中的表達量顯著高于其他組織，表明這一基因可能在芒果的生長和發育中發揮關鍵作用。
圖4. MiGA2ox 基因在各種組織和器官中的表達譜5.MiGA2ox12基因的克隆、比對和亞細胞定位
隨后，研究者克隆了MiGA2ox12基因，并使用RACE技術從芒果品種“Guiqi”中獲取該基因的完整序列。通過與Alphonso品種的基因序列進行比較分析，發現了位于蛋白序列第129位的單核苷酸多態性（SNP）。序列比對顯示MiGA2ox12與其他已知的GA2ox家族成員具有高度的序列保守性，特別是DIOX_N和2OG-FeII_Oxy這兩個功能域。亞細胞定位實驗中，MiGA2ox12-GFP融合蛋白在煙草葉片中的綠色熒光與NLS-RFP的紅色熒光完全重合，表明MiGA2ox12蛋白定位于細胞核，為理解其在調控植物生長發育中的作用提供了重要信息。
圖5. MiGA2ox 蛋白的比對和亞細胞定位分析6.構建煙草植物中MiGA2ox12的過表達、敲除和互補株系
研究者通過35S啟動子成功構建了MiGA2ox12過表達載體，并利用潮霉素篩選得到了14個陽性轉基因煙草植株。其中OE4和OE22植株的MiGA2ox12表達量最高，被選為過表達株系。為了敲除NbGA2ox5基因，本研究設計了sgRNA并用卡那霉素篩選，成功獲得CR13和CR38兩個敲除株系。在CR38背景下，通過共轉化得到15個互補株系，其中CR-OE10和CR-OE20因表達差異顯著被選為研究對象，為研究MiGA2ox12的功能提供了重要依據。
圖6. 過表達 MiGA2ox12 植物鑒定7.MiGA2ox12通過降解GA1和GA4抑制煙草植物高度
過表達MiGA2ox12基因的煙草植株表現出矮化表型，而敲除其同源基因NtGAox5的植株高度則有所增加。盡管具有敲除背景的植株比野生型植株高，但MiGA2ox12的過表達仍然誘導矮化表型。此外，敲除和敲除互補株系的莖直徑明顯大于野生型，表明MiGA2ox12不僅影響植株高度，還可能影響莖的粗細。這些結果表明MiGA2ox12通過降解GA1和GA4來調節植物高度。
圖7. GA2ox 基因對煙草植物表型和 GAs 含量的影響本研究揭示了芒果中GA2ox基因家族的組成和功能，特別是MiGA2ox12基因在調控植物高度方面的作用。通過基因鑒定、生物信息學分析和基因表達研究，研究者發現MiGA2ox12通過降解活性赤霉素GA1和GA4來抑制煙草植物的高度。此外，該基因在細胞核內的定位表明它可能參與調控植物對環境脅迫的響應。這些發現不僅增進了對芒果生長發育調控機制的理解，而且為利用基因技術改良作物提供了新的策略。盡管MiGA2ox12在芒果中的具體作用還需進一步研究，但目前的成果為培育具有理想生長特性的芒果新品種提供了科學依據。
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