2020年9月19日，期刊Journal of Experimental Botany在线发表了题为“Overgrowth mutants determine the causal role of GA2oxidaseA13 in Rht12 dwarfism of wheat”的研究论文，该研究通过过度生长突变体揭示了GA2-氧化酶A13在小麦Rht12矮秆材料中的作用机制。
“绿色革命”期间，由于引入了突变的Della基因（Rht-B1b和Rht-D1b)，减少了小麦植株高度，允许更多的碳分配到籽粒中，使得小麦的产量显著提高。这两个矮化等位基因Rht-B1b和Rht-D1b通过与赤霉素（GA）及其受体的相互作用来稳定编码的DELLA蛋白，降低了小麦对赤霉素的敏感性，从而减少茎秆的生长（Peng等，1999）。与其机制不同，已鉴定的定位于小麦6A染色体上的矮秆基因Rht18编码一个GA2氧化酶，能够催化GA合成过程中的前体？物质（GA12）转变为无活性的GA110，减少了活性赤霉素含量，造成植株矮化（Ford等，2018）（详情参考：小麦矮杆基因Rht18不完全解读）。
矮秆突变体Rht12由六倍体小麦经γ射线照射后产生，能使株高降低40-50%，且有助于小穗育性的提高，是极其重要的育种资源。2019年，遗传发育所张爱民研究组对该基因进行了精细定位，将其定位于5A染色体长臂两个新的SSR标记w5ac198与w5ac211之间（物理距离约483Kb），然后利用构建的群体分析发现Rht12影响了GA的合成或者失活途径（Sun 等，2019）（张爱民团队--小麦重要矮秆基因Rht12的精细定位及其遗传效应解析）。
Rht12和Rht18突变体具有一些相似的重要特征，均是在辐射处理后分离出来，对株高的影响极大但不会缩短胚芽鞘的长度，且均为显性。考虑到矮化基因之间的相似性，作者基于先前发表的Rht12基因图谱位置、GA2-氧化酶基因成员序列和诱变的Rht12背景下过度生长的突变体，探索了5A染色体上GA2-氧化酶基因成员与Rht12矮化之间的关系。
首先作者利用叠氮化钠对矮化的Halberd Rht12小麦种子进行诱变，从诱变群体中筛选到129个过度生长（ovg）突变体并对后代进行了测试，从中选择28个代表不同高度等级的品系进行进一步分析。作为对照的Halberd小麦植株平均高度为81.9 cm ± 0.3（SE），矮化的Halberd Rht12株系的平均高度为33.8cm±1.9（SE）。Halberd小麦不包含任何已知的矮化基因，但被认为是一个相对矮的“高”品种，Rht12的引入导致其株高降低了59%。选择的28个ovg突变体的平均高度在53.3cm~118.5cm之间，有些株系的株高明显超过了Halberd小麦（图1和图2）。
图1. 在Halberd Rht12背景下获得的ovg突变体
图2. Halberd、Halberd Rht12和所选突变体系成熟时的株高（cm）均值，并基于突变事件类型对所选ovg突变体进行分类。
作者以GA2oxA9序列为参照，在中国春小麦参考基因组中搜索5AL染色体Rht12区域的GA2-氧化酶基因成员，在该区域确定了候选基因TraesCS5A02G543100。该基因与先前描述的4BL染色体同源位置上的GA2ox13基因密切相关，并与Rht18位点的GA2oxA9基因成员相关（63%氨基酸一致）。对此候选基因进行ORF分析发现，该基因包含三个外显子，编码357个氨基酸，并被命名为GA2oxA13。该基因先前曾被命名为GA2oxA14，并被报道为Rht12矮秆的候选基因，但没有通过转基因研究和突变体特征鉴定进行功能证明（Sun 等，2019）。
对选择的28个ovg品系的GA2-oxA13基因序列进行分析发现，有20个品系为单核苷酸变化，其余的8个品系存在缺失事件，类型具体可分为：氨基酸变化、剪接位点突变、提前终止和第一内含子突变（图3）。作者进一步对各突变体进行表达分析和GA含量分析发现，GA2oxA13的表达增加是Rht12矮化的原因，类似于先前报道的Rht18机制。已有研究证明GA2ox-A9可以分解GA前体GA12来降低植株赤霉素含量，基于与GA2ox-A9的氨基酸序列比较，预测的GA2oxA13蛋白质也属于C20 GA2-氧化酶类，在生物合成途径早期移除GA前体（图4）。此外，作者还通过基因扩增、剪接位点分析、蛋白质模型构建等手段进一步分析了各ovg突变体植株变高的潜在机理，并利用突变杂合子证明Rht12基因为完全显性。
图3. 部分ovg突变体基因结构变异类型
图4. GA生物合成途径
三个突变体矮化等位基因Rht12、Rht14和Rht18均涉及到GA2-氧化酶基因家族中两个密切相关成员的高表达，一个在5A染色体的末端，另一个在6A染色体的近着丝粒区。它们的显性基因作用表明，一个拷贝的转录激活足以实现最终降低株高。由于突变可能代表着分子功能的丧失（而不是获得），作者推测，在野生型中，这两种不同的GA2-ox基因的表达是通过转录抑制因子与DNA调控区域的结合而维持在较低水平的。确定激活GA2-氧化酶基因转录的分子基础是作者下一步的研究目标。
参考文献：
Peng J, Richards DE, Hartley NM, et al. 1999. ‘Green revolution’ genes encode mutant gibberellin response modulators. Nature 400, 256–261.
Ford B, Foo E, Sharwood RE, et al. 2018. Rht18 Semi-Dwarfism in Wheat is Due to Increased
Expression of GA 2-oxidaseA9 and Lower GA Content. Plant Physiology 177, pp.00023.2018.
Sun L, Yang W, Li Y, et al. 2019. A wheat dominant dwarfing line with Rht12, which reduces stem cell length and affects gibberellic acid synthesis, is a 5AL terminal deletion line. Plant Journal 97, 887–900.
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