芒果（Mangifera indica L.）是一种享有盛誉的热带水果，以其独特的风味和丰富的营养成分而闻名。矮化栽培技术的应用使得树木更小、更易于管理，具有早果、高产和稳定生产等优良特性，已成为芒果产业的主要趋势。研究表明，植物高度与赤霉素（GA）的合成和代谢密切相关，其生物合成涉及多个中间体，其中GA1、GA3、GA4和GA7具有最高的生物活性，被称为活性GA。维持GA的稳态对于优化植物生长和发育至关重要，因此，对GA生物合成的研究在不同物种中得到了广泛的开展。广西亚热带作物研究所的莫永龙团队（第一作者张宇博士）在《International Journal of Molecular Sciences》期刊上发表文章Over Expression of Mango MiGA2ox12 in Tobacco Reduced Plant Height by Reducing GA1 and GA4 Content，鉴定出芒果中的MiGA2ox12基因可能通过调节赤霉素含量来控制植物的高度。
研究材料：芒果（Mangifera indica L.）、烟草
技术方法：生物信息学分析、烟草转化、表型观察测量、高效液相色谱测定、实时荧光定量PCR
1. 鉴定和特征化芒果中的MiGA2ox蛋白
研究团队通过使用拟南芥的8个GA2ox序列(AtGA2oxs)，对芒果基因组进行全面分析，成功鉴定出14个MiGA2ox蛋白，并根据其在染色体上的位置命名。这些蛋白具有不同的结构特点，如外显子数量、氨基酸长度、分子质量、等电点等。由于具有保守的PLN02156或PLN02984域和独特的motif，这些MiGA2ox蛋白能够被分类为三个不同的组，表明它们可能在功能上存在差异。
图1. MiGA2ox 基因家族的鉴定和生物信息学分析
2. MiGA2ox蛋白的进化分析
通过构建基于最大似然（ML）方法的系统发育树，研究者将芒果、拟南芥和水稻的GA2ox蛋白分为三个不同的亚组：C19-GA2oxI、C19-GA2ox-II和C20-GA2ox-I。这一分类基于它们的底物特异性，其中MiGA2ox6、MiGA2ox8和MiGA2ox9被归入C19-GA2ox-I亚组，而MiGA2ox1、MiGA2ox7、MiGA2ox12和MiGA2ox13则属于C19-GA2ox-II亚组。这种分类揭示了MiGA2ox蛋白可能的底物特异性和进化关系。
图2. 芒果、水稻和拟南芥的 GA2ox 蛋白家族的 ML 系统发育分析3.MiGA2ox启动子中的顺式作用元件和转录因子结合位点
研究还对MiGA2ox基因的启动子序列进行了分析，以预测其顺式作用元件和转录因子结合位点。这些元件与植物的生长、发育、激素调节和非生物胁迫响应相关。研究特别发现MiGA2ox基因的启动子区域含有多种顺式作用元件，这表明其在调节芒果生长和发育以及响应胁迫和激素信号中可能发挥重要作用。
图3. 存在于 MiGAox 启动子中的顺式作用元件4.MiGA2ox基因的表达
利用RNA-seq数据分析MiGA2ox基因在不同芒果组织中的表达模式，结果显示，MiGA2ox1、MiGA2ox10、MiGA2ox11和MiGA2ox12在特定组织中表达量较高，而其他基因在所有检测的组织中的表达水平相对较低。特别是MiGA2ox12在根、树皮、叶和花中的表达量显著高于其他组织，表明这一基因可能在芒果的生长和发育中发挥关键作用。
图4. MiGA2ox 基因在各种组织和器官中的表达谱5.MiGA2ox12基因的克隆、比对和亚细胞定位
随后，研究者克隆了MiGA2ox12基因，并使用RACE技术从芒果品种“Guiqi”中获取该基因的完整序列。通过与Alphonso品种的基因序列进行比较分析，发现了位于蛋白序列第129位的单核苷酸多态性（SNP）。序列比对显示MiGA2ox12与其他已知的GA2ox家族成员具有高度的序列保守性，特别是DIOX_N和2OG-FeII_Oxy这两个功能域。亚细胞定位实验中，MiGA2ox12-GFP融合蛋白在烟草叶片中的绿色荧光与NLS-RFP的红色荧光完全重合，表明MiGA2ox12蛋白定位于细胞核，为理解其在调控植物生长发育中的作用提供了重要信息。
图5. MiGA2ox 蛋白的比对和亚细胞定位分析6.构建烟草植物中MiGA2ox12的过表达、敲除和互补株系
研究者通过35S启动子成功构建了MiGA2ox12过表达载体，并利用潮霉素筛选得到了14个阳性转基因烟草植株。其中OE4和OE22植株的MiGA2ox12表达量最高，被选为过表达株系。为了敲除NbGA2ox5基因，本研究设计了sgRNA并用卡那霉素筛选，成功获得CR13和CR38两个敲除株系。在CR38背景下，通过共转化得到15个互补株系，其中CR-OE10和CR-OE20因表达差异显著被选为研究对象，为研究MiGA2ox12的功能提供了重要依据。
图6. 过表达 MiGA2ox12 植物鉴定7.MiGA2ox12通过降解GA1和GA4抑制烟草植物高度
过表达MiGA2ox12基因的烟草植株表现出矮化表型，而敲除其同源基因NtGAox5的植株高度则有所增加。尽管具有敲除背景的植株比野生型植株高，但MiGA2ox12的过表达仍然诱导矮化表型。此外，敲除和敲除互补株系的茎直径明显大于野生型，表明MiGA2ox12不仅影响植株高度，还可能影响茎的粗细。这些结果表明MiGA2ox12通过降解GA1和GA4来调节植物高度。
图7. GA2ox 基因对烟草植物表型和 GAs 含量的影响本研究揭示了芒果中GA2ox基因家族的组成和功能，特别是MiGA2ox12基因在调控植物高度方面的作用。通过基因鉴定、生物信息学分析和基因表达研究，研究者发现MiGA2ox12通过降解活性赤霉素GA1和GA4来抑制烟草植物的高度。此外，该基因在细胞核内的定位表明它可能参与调控植物对环境胁迫的响应。这些发现不仅增进了对芒果生长发育调控机制的理解，而且为利用基因技术改良作物提供了新的策略。尽管MiGA2ox12在芒果中的具体作用还需进一步研究，但目前的成果为培育具有理想生长特性的芒果新品种提供了科学依据。
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审核：三黍生物企宣部
