枣树新型鸟苷酸环化酶ZjGC通过内源激素调控植物生长发育的机制研究

这篇研究首次从高cGMP含量的枣树中鉴定出新型鸟苷酸环化酶（GC）ZjGC，通过体外酶活验证、枣果瞬时过表达和番茄转基因实验证实其催化cGMP合成的功能。研究发现ZjGC过表达通过显著提升内源cGMP水平，反馈调节GA3、IAA和ABA等植物激素，进而加速种子萌发、缩短幼年期、促进果实发育并增加种子数量，首次揭示了cGMP对植物激素的逆向调控机制，为植物信号转导研究提供了新视角。

　　

引言

环磷酸鸟苷(cGMP)作为关键的第二信使，在植物生理过程和胁迫响应中发挥重要作用。然而由于植物体内cGMP含量极低，其合成关键酶——鸟苷酸环化酶(GC)在高等植物中的鉴定一直面临挑战。枣树作为cGMP含量异常高的木本植物，为GC研究提供了独特材料。

结果

ZjGC的鉴定与进化分析

通过基因组比对和同源克隆，从"冬枣"中获得828 bp的ZjGC基因，系统进化显示其与桃树GC亲缘最近，属于可溶性GC(sGC)的GC-2超家族。

酶活验证与功能研究

体外实验表明重组ZjGC蛋白在Mn²⁺辅助下活性最高（0.098 nmol/min/μg）。枣果瞬时过表达使cGMP含量提升2.1倍，转基因番茄中cGMP水平激增3.8倍，证实其催化功能。

生长发育调控表型

过表达ZjGC的番茄呈现"速生小果"特征：

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  种子萌发提前48小时

• •

  开花节点减少1.7节，营养生长期缩短6天

• •

  果实发育周期缩短9-10天，但单果重降低35%

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  种子数量增加40%，粒径减小21%

激素调控机制

cGMP表现出双向调节作用：

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  显著提升GA₃含量（2.08倍）

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  适度降低IAA（7.39%）和ABA（16.21%）

• •

  外源cGMP处理使枣愈伤组织GA₃含量最高提升293.87%

细胞水平影响

100μM cGMP处理的愈伤组织呈现致密型I类形态，细胞分裂速率提高68%，为器官分化奠定基础。

讨论

研究突破性地发现：

1. 1.

   cGMP通过"升高GA₃-降低GA₄"协同促进成花转变

2. 2.

   抑制IAA途径限制果实膨大但促进种子形成

3. 3.

   降低ABA水平加速种子萌发

   启动子分析显示ZjGC含有MYB、WRKY等激素响应元件，支持cGMP-激素互作网络的存在。

结论

该研究不仅首次在木本植物中鉴定出功能性GC，更建立了cGMP通过GA₃/IAA/ABA通路调控植物发育的模型，为作物遗传改良提供了新靶点。愈伤组织实验证实cGMP可直接促进细胞分裂，这为植物组织培养技术优化开辟了新思路。

材料方法

采用"冬枣"基因组数据（河北农业大学枣研究中心）、农杆菌GV3101介导的遗传转化体系，通过HPLC检测cGMP，LC-QQQ质谱分析激素含量。所有数据经SPSS 26.0统计分析，图表用GraphPad Prism 10绘制。