前言

赤霉素是植物生长和发育的重要激素，其作用需要依赖于DELLA蛋白的活性。DELLA蛋白是一种转录调节因子，虽然没有DNA结合能力，但对于赤霉素调控植物生理反应起到至关重要的作用。

(相关资料图)

因此，研究DELLA蛋白的作用靶基因不仅能帮助我们了解赤霉素调控机制，还能为探究DELLA蛋白调节基因表达的分子机制提供线索。

我们观察了拟南芥在暗形态下发生的全球早期转录反应，重点探究了受到赤霉素严格调控的DELLA蛋白GAI的作用。我们的研究结果表明，GAI蛋白的活性诱导对基因表达的影响几乎是立竿见影的。

DELLA基因的表达调控受到多种因素的影响，其中转录因子是重要的调控因素之一。虽然PIF和HY5转录因子被认为是DELLA基因表达调控的主要因素，但其他转录因子也参与其中

例如，在富含GAI基因启动子序列的序列中，我们识别出了Dofs和B型ARRs识别的顺式元件。另外，在分析DELLA蛋白RGA的早期目标基因时，我们发现了由MADS-box蛋白结合的CArG盒，以及将DELLA活性与昼夜节律转录调节联系起来的E-box CACATG。

植物在获取能源和响应环境方面不能改变其位置，因此它们需要稳健而准确地调整其生长和发育计划，以提高其生存机会。

这种需要迫使植物发展复杂的传感机制和信号转导通路，以适应不断变化的环境条件。植物激素在这方面起着重要的指导作用，因为它们控制着植物中的许多发育反应。

赤霉素是植物中一种经典的激素，它通过调节基因转录来影响植物生命周期中的多个过程，例如发芽、营养生长或开花。这种转录调控依赖于核内GA调控的DELLA蛋白的活性。

简单来说，当没有GA阻断激素对基因转录反应时，DELLA会积累。当GA水平升高时，激素与其受体GID1结合会促进GA-GID1-DELLA复合物的形成，这有利于SCF识别DELLA蛋白SLY泛素连接酶和随后的泛素化。这种修饰导致DELLA被26S蛋白体降解，从而导致激素发生转录变化。

DELLA与转录因子和其他转录调节因子的物理相互作用表明，DELLA可能直接或间接地调节基因转录。

这些相互作用可以促进或抑制转录因子结合DNA或其他转录调节因子的活性，从而影响基因的表达和生物学功能。此外，第一个观察结果表明DELLA可能直接与某些GA调节基因的启动子相互作用，这表明DELLA可能直接参与GA信号转导通路的调节。

尽管我们已经取得了一些关于DELLA蛋白调节多种GA反应的机制的进展，但我们仍然需要更广泛的认识。一种自下而上的策略是，通过识别和分类GA靶基因来进一步剖析GA信号这一基本方面。

这可以根据GA靶基因的表达域或它们参与的过程来进行。在这方面，一些全局分析研究表明，在两种不同的发育背景（营养生长和花发育）中，DELLA调节转录的靶基因仅有3.6％在两组之间共享。不同的发育背景可能会导致DELLA与其他转录因子和调节因子之间的相互作用发生变化，从而影响DELLA对靶基因的调节。

另外，我们也可以利用遗传学手段来探索GA信号在skotomorphogenic发育中的作用。通过研究GA信号通路中的关键基因突变体，可以确定它们在skotomorphogenic发育中的作用和DELLA调节的机制。

例如，研究人员可以利用突变体筛选技术来鉴定与GA信号传递相关的基因，然后通过分子生物学和细胞生物学技术进一步研究它们的功能和调节机制。这种方法可以帮助我们更加深入地理解GA信号在植物发育中的作用，为未来的研究提供更加精细的线索。

不同发育情况下DELLA调控基因的比较

最近的研究使用了类似的方法来研究拟南芥的DELLA蛋白RGA在幼苗和花中的调控机制。

虽然GAI和RGA在功能上相似，但是对GAI和RGA调节的基因组进行比较发现，它们的目标重叠性很低。在黄化幼苗的148个GAI目标中，有19个基因与幼苗中的RGA目标重叠，花中有11个，分别对应13%和7%的GAI调控基因。

只有五个基因在所有条件下都被调控，并且值得注意的是，其中四个编码GA通路的成员（GA20ox1、GA20ox2、GA3ox1和GID1b）支持DELLA蛋白对GA活性的强烈调节扩展到多个概念组织和生长条件。

然而，除了这个监管过程之外，DELLA蛋白显示的目标重叠有限是显而易见的。这表明DELLA蛋白在不同的组织和条件下可能具有不同的调节机制和目标基因。

这种效应不可能是由于DELLA基因的不同表达模式所致，因为这些研究使用的是普遍存在的启动子来驱动它们的表达。相反，低程度的重叠可能反映了不同转录因子组在不同组织和条件下对DELLA相互作用的影响。

GAI部分通过PIF和HY5转录因子调节靶基因

这段话的意思是，光可以启动一些促进植物生长的基因，如HY5，同时关闭一些抑制植物生长的基因，如PIF。

GA通过降低HY5蛋白的水平来抵消光对植物生长的影响，并且还减轻DELLA对PIF的负面影响，从而防止这些基因与其靶基因结合，影响植物的正常生长。为了更深入地研究这些基因在分子水平上的相互作用，研究人员比较了受HY5和PIF调控的基因列表与GAI目标列表。

我们可以通过比较GAI目标基因列表和受HY5和PIF调控的基因列表，来确定哪些基因受这些转录因子的活性调控。

同时，我们可以描述介导GA控制这个发育开关的转录网络。虽然已经通过ChIP-to-chip实验获得了光照下HY5内部目标基因的真实数据集，但唯一可用的PIF目标列表是从暗和光的转录组学分析中提取的。

我们使用了生长的野生型和pifQ突变体。结果显示，近一半的GAI调控的目标基因受到HY5、PIF或两者的调控，这表明这些转录因子在DELLA转录调控中具有相关性。

这些比较结果与当前的光照和GA调节模型一致。例如，许多基因的启动子与HY5结合，受到光处理和DELLA积累的连贯调节。

其中只有少数基因显示出光和DELLA的冲突调节（由光诱导，由HY5结合，由DELLA抑制），这可能表明HY5和DELLA共同调节的这些目标不是联合调节，而是平行调节。

在PIF的情况下，已经充分证实DELLA对PIF活性具有负面影响。与此一致，许多作为PIF和DELLA目标的基因，在DELLA积累和PIF缺乏方面表现出相同的行为。

这种调节具有生物学相关性的一个迹象是，pifQ突变体中PIF1的内皮特异性表达恢复了顶端钩的形成，并且在GAs对顶端钩的调节中也观察到了这种组织特异性。

但是，也有一些情况观察到相反的行为，这表明DELLA对这些目标的调节不是通过PIF进行的，或者并非所有个体PIF在体内都具有与DELLA相互作用的等效活动和能力。

GAI调控目标的启动子分析表明新的转录因子介导DELLA活动

尽管一半的GAI目标可能受HY5和PIF调控，但这两个转录因子与其余受GAI调控的基因之间没有明显联系。为了获得关于介导DELLA调节的额外转录因子的身份的提示，我们使用了ELEMENT。

该工具返回那些在目标基因转录起始位点之前的1000bp上游区域中过度表达的3-8 bp序列，与整个拟南芥基因组中的相同区域相比。根据该分析，除了少量未知身份的推定顺式元件外，GAI诱导的基因启动子在Dof(AAAG)和ARR1(NGATT)结合位点富集。

除了HY5和PIF之外，Dof和ARR1可能也是介导DELLA调节的关键转录因子。这进一步加强了DELLA在GA信号通路中的重要性，并暗示了多个转录因子的相互作用可能在DELLA调节中发挥作用。

GAI调节基因的特性

通过使用FatiGO算法和注释分析两种互补的方法，我们发现GA信号通路与光信号、应激反应、转录网络以及其他激素的合成和信号直接相关的基因的表达有着密切的联系。

这提示我们，GA信号通路的调节机制可能受到多种因素的影响，并且存在复杂的相互作用和交叉调节。

DELLA蛋白对GA途径的直接调节

植物中GA水平和感知的稳态控制是通过反馈和前馈机制实现的，这些机制需要GA信号通路中不同元素的活性。最近的研究表明，DELLA蛋白参与了这一过程，并且直接调节了GA合成和感知的关键基因的表达。

其中包括GA20ox2、GA3ox1、GA INSENSITIVE DWARF1和GID1b等基因。通过上调这些基因的表达，DELLA蛋白促进了GA的合成和感知，并精细调节了植物的生长和发育。

GAI可以调节多个GA相关基因的表达，包括GA20ox1、GA20ox4、GA2ox8、RGA和RGL1等。通过分析多个GA相关突变体和转基因品系中的转录水平，证实了GAI对其中一些基因的调节。

同时，研究发现大多数基因表达的控制可能由GAI、RGA和其他DELLA蛋白共享。例如，即使在双无效突变体gai-t6 rga-24中，PAC仍可抑制GA2ox8基因的表达。

我们发现，这些基因的表达对gai-1积累的快速变化做出了响应，这表明它们可能是直接的目标基因。为了验证这种可能性，我们使用了在GAI启动子的控制下表达gai-1和大鼠糖皮质激素受体结构域之间的翻译融合的转基因品系进行测试。

单独添加环己酰亚胺(CHX)会引起某些靶基因的诱导或抑制，表明它们也分别受短寿命阻遏物或激活剂的调节。但是，在同时存在DEX和CHX的情况下，仍然观察到GA20ox1、GA20ox4、GA3ox1、GID1a和GID1b的明显诱导，以及RGL1和GAI的明显抑制，这表明这些基因直接受GAI活性调节，独立于蛋白质合成。

在GA2ox8的情况下，由于该基因对CHX的响应非常强烈，很难得出结论。初步结果表明GA2ox8可能不受GAI直接调控。但是，强烈的CHX效应可能掩盖了GAI对该基因施加的抑制作用，就像ACS8一样，它实际上是GAI的直接靶标。

GAI抑制其他DELLA基因表达的观察结果与DELLA控制彼此表达的更普遍作用是一致的，这表明GAI和RGA在GA信号传递中发挥着重要作用，并且它们是DELLA蛋白家族中的关键成员。

DDELLA蛋白介导与生长素和乙烯途径的直接交叉调节

我们的研究表明，植物的生长素和其他激素之间会相互影响，并且这种影响可以影响基因的转录水平。我们发现DELLA蛋白可以直接调节多个与生长素合成和信号传导相关的基因，其中包括对生长素感应的基因，以及参与生长素合成和失活的IAMT1和YUC3等基因。

同时，我们还发现DELLA蛋白可以调节乙烯生物合成基因ACS8和ACS5/ETO2的表达水平。

我们使用了DEX系统来分析一组代表性基因的表达是否受到GAI的直接调节。结果显示，GAI对Aux/IAA19、IAMT1、YUC3和ACS8的转录控制是直接的，因为即使使用了CHX来阻止蛋白质合成，这些基因的表达水平仍会受到DEX处理的影响。而其他DELLA蛋白则与GAI共同控制这些基因的表达。

GA途径可能直接影响其他激素途径的代谢和信号传递，从而控制暗纹发育过程中的不同特征。这种交互作用具有生物学意义。