商靖 陸勁羽 逄洪波 李雪梅 王艷秋 李玥瑩

摘要 [目的]研究SbGA20ox1、SbGA20ox3和SbGA2ox3基因對高粱品種赤霉素表達水平的影響。[方法]以不同高粱品種為試材（9544.7057為父本與不同母本進行雜交得到子代：遼夏梁1號、遼2297、遼2697、遼5397、01-26B;以及01-26A為母本與不同父本進行雜交得到子代：遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697），利用實時熒光定量PCR技術比較不同時期（拔節(jié)期、抽穗期、成熟期），不同品種的高粱之間SbGA20ox1基因、SbGA20ox3基因、SbGA2ox3基因表達含量規(guī)律。[結果]SbGA20ox1基因在同一父本不同母本高粱組的基因表達規(guī)律基本符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期;SbGA2ox3基因在同一父本不同母本高粱組的基因表達規(guī)律基本符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期，SbGA2ox3基因在同一母本不同父本高粱組的基因表達規(guī)律基本符合拔節(jié)期>成熟期>抽穗期。而SbGA20ox1基因在同一母本不同父本高粱組的基因表達以及SbGA20ox3基因在各品種高粱的基因表達并未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律，各時期基因的相對表達量大部分品種間無明顯差異。[結論]該研究一定程度上揭示了SbGA20ox1、SbGA20ox3和SbGA2ox3基因在多個高粱品種各時期的基因表達規(guī)律，為進一步研究調控赤霉素水平的小基因家族的作用機制提供啟示。

關鍵詞 高粱;相對表達量;實時熒光定量;赤霉素;小基因家族

中圖分類號 S 188文獻標識碼 A文章編號 0517-6611（2022）02-0105-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.02.028

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of SbGA20ox1，SbGA20ox3 and SbGA2ox3 Genes on the Expression of Gibberellin in Sorghum Varieties

SHANG Jing，LU Jin-yu，PANG Hong-bo et al （School of Life Sciences，Shenyang Normal University，Shenyang，Liaoning 110034）

Abstract [Objective]To study the effects of SbGA20ox1，SbGA20ox3 and SbGA2ox3? on the expression of gibberellin in sorghum varieties.[Method]Different sorghum varieties were used as test materials （9544.7057 was used as the male parent and different female parents were crossed to obtain offspring：Liaoxialiang 1，Liao 2297，Liao 2697，Liao 5397，01-26B;and 01-26A was used as the female parent crossing with different male parents to obtain offspring：Liaoza 35，0-01，9544.7057，3550，Liao 2697）. Real-time fluorescent quantitative PCR technology was used to compare the expression levels of SbGA20ox1，SbGA20ox3，and SbGA2ox3 genes between different periods （joining stage，heading stage，maturity stage） and different varieties of sorghum.[Result] The gene expression pattern of SbGA20ox1 gene in the same male parent and different female parent sorghum groups basically accorded with heading date>mature stage>joining stage;the gene expression law of SbGA2ox3 gene in the same male parent and different female parent sorghum groups basically accorded with heading date>mature stage>joining stage，the gene expression pattern of SbGA2ox3 gene in the same female parent and different male parent sorghum groups basically accorded with jointing stage>mature stage>heading stage. However，the gene expression of SbGA20ox1 gene in the same female parent and different male parent sorghum groups and the gene expression of SbGA20ox3 gene in various varieties of sorghum did not find obvious regularities，and the relative expression levels of genes in each period showed no significant difference among most varieties.[Conclusion]This study revealed to a certain extent the gene expression regularity of SbGA20ox1，SbGA20ox3 and SbGA2ox3 genes in multiple sorghum varieties at various stages，and provided enlightenment for further research on the mechanism of the small gene family that regulates gibberellin levels.

Key words Sorghum;Relative expression level;Real-time fluorescence quantification;Gibberellin;Small gene family

基金項目

遼寧省教育廳重點攻關項目（LZD201901）;遼寧省教育廳自然科學重點攻關項目（LZD202004）;財政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系（CARS-06）。

作者簡介 商靖（1996—），女，遼寧北票人，碩士研究生，研究方向：植物基因工程。*共同通信作者：王艷秋，研究員，碩士，從事高粱育種與栽培工作;李玥瑩，教授，博士，從事植物基因工程研究。

收稿日期 2021-04-16

高粱屬禾谷類作物，是世界第五大作物[1-2]。作為糧食，高粱的籽粒內含有豐富的營養(yǎng)物質，如淀粉、蛋白質、鐵、鎂等[3]，且在邊緣土地上，相較于其他可作為糧食的作物，生產(chǎn)和生物量更高[4]，在非洲和很多發(fā)展中國家的許多干旱及半干旱地區(qū)都是重要食物來源[5]。高粱作為糧食已有悠久的歷史。除了可作為糧食，高粱還具有許多其他用途。比如作為飼料，可以最小化差異地替代玉米，進而更節(jié)約成本[6]。在釀酒中，相較于小麥、大米、糯米等，高粱整體協(xié)調風格評價最高[7];此外，高粱還可以作為能源[8]，具有很高的利用價值 [9-10]。

赤霉素是植物激素，屬于雙萜類化合物 [11]，是高等植物重要的五大內源激素之一[12] ，也是重要的植物生長調節(jié)劑[13]。赤霉素能夠促進細胞的伸長[14]，并參與植物生長發(fā)育的許多方面，如種子萌發(fā)、莖的伸長以及植物籽粒生物量的提高等[4]。

植物中赤霉素的水平受許多小基因家族的表達的調控。如2-氧化戊二酸-依賴加雙氧酶赤霉素20-氧化酶1（SbGA20ox1）基因和2-氧化戊二酸-依賴加雙氧酶赤霉素20-氧化酶3（SbGA20ox3）基因對赤霉素水平有正調節(jié)作用，2-氧化戊二酸-依賴加雙氧酶 赤霉素2-氧化酶3（SbGA2ox3）基因對赤霉素水平有負調節(jié)作用[15]。

該試驗探究SbGA20ox1、SbGA20ox3和SbGA2ox3基因在不同品種高粱各時期的基因表達量規(guī)律，為進一步探究赤霉素受小基因家族的調控機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料 供試高粱品種由遼寧省農(nóng)科院提供，分別是以9544.7057為同一父本的子代，遼夏梁1號、遼2297、遼2697、遼5397、01-26B 5個高粱品種，以及以01-26A為同一母本的子代，遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697 5個高粱品種。

1.2 方法

1.2.1 RNA的提取及cDNA的合成。取約30 mg樣品于已放入20顆研磨用小鋼珠的2 mL離心管中，使用研磨儀進行樣品研磨，隨后根據(jù)RNA提取試劑盒 （Promega） 說明書，進行總RNA的提取，隨后根據(jù) PrimeScript RT Master Mix （TaKaRa） 試劑盒說明書，進行 RNA 的反轉錄，合成 cDNA 備用。

1.2.2 引物的選取。參照文獻[16]，選取SbActin基因為內參基因，另選取 SbGA2ox 1、 SbGA20ox 3、SbGA20ox 3為引物，對影響赤霉素水平的SbGA20ox1、SbGA20ox3和SbGA2ox3基因進行基因表達檢測。引物由生工生物工程上海 （股份） 有限公司合成，具體見表1。

1.2.3 PCR擴增。使用SYBR Premix Ex Taq Ⅱ （TaKaRa） 進行 RT—PCR 擴增。

PCR反應體系為20.0 μL：10.0 μL 2× SYBR Premix Ex Taq Ⅱ，0.8 μL Forward Primer （10 μmol/L），0.8 μL Reverse Primer （10 μmol/L），6.4 μL ddH 2O，2.0 μL cDNA模板。

PCR反應參數(shù)為：95 ℃ 30 s;95 ℃ 5 s，60 ℃ 30 s，72 ℃ 20 s 40次循環(huán)。反應結束后，電腦自動生成Ct值[17]。

1.2.4 基因表達檢測。得到的Ct值用Comparative Delta-delta Ct法進行數(shù)據(jù)分析，使用IBM SPSS 23軟件進行方差分析和顯著性檢驗[18]，使用Origin 8.6軟件進行柱狀圖的繪制。

2 結果與分析

2.1 SbGA20ox1基因在不同高粱品種各時期的基因表達規(guī)律 對同一父本9544.7037的遼夏梁1號、遼2297、遼2697、遼5397、01-26B的測定分析結果表明，拔節(jié)期，SbGA20ox1基因表達量在這5個高粱品種中的表達量都非常低，且品種間無顯著差異。抽穗期，遼2697的SbGA20ox1基因表達量最高（6.28），遼5397的SbGA20ox1基因表達量最低（1.5）。成熟期，遼2297的SbGA20ox1基因表達量最高（7.99），遼5397的SbGA20ox1基因表達量最低（0.4）。試驗結果還顯示，除品種遼2297外，遼夏梁1號、遼2697、遼5397、01-26B，4個品種SbGA20ox1基因表達量均符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期。而品種遼2297的SbGA20ox1基因表達量為成熟期>抽穗期>拔節(jié)期（圖1 a）。

對同一母本01-26A的遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697的測定分析結果表明，拔節(jié)期，9544.7057的SbGA20ox1基因表達量最高（6.02），顯著高于其他4個品種，0-01的SbGA20ox1基因表達量最低（0.05）。抽穗期，3550的SbGA20ox1基因表達量最高（1.0），0-01的SbGA20ox1基因表達量最低（0.09）。成熟期，遼2697的SbGA20ox1基因表達量最高（2.6），遼雜35的SbGA20ox1基因表達量最低（0.16）。遼雜35、9544.7057在拔節(jié)期的基因表達量尤其高外，其他品種均為成熟期的基因表達量最高，但相比于其他2個時期沒有很大差異（圖1 b）。

2.2 SbGA20ox3基因在不同高粱品種各時期的基因表達規(guī)律 對同一父本9544.7037的遼夏梁1號、遼2297、遼2697、遼5397、01-26B的測定分析結果表明，拔節(jié)期，遼2697的SbGA20ox3基因表達量最高（2.0），遼2297的SbGA20ox3基因表達量最低（0.31）。抽穗期，遼2697的SbGA20ox3基因表達量最高（7.84），與其他4個品種表達量相差較大，遼2297的SbGA20ox3基因表達量最低（0.24）。成熟期，遼2697的SbGA20ox3基因表達量最高（1.52），略高于01-26B，遼5397的SbGA20ox3基因表達量最低（0.23），略低于遼夏梁1號（圖2 a）。

對同一母本01-26A的遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697的測定分析結果表明，拔節(jié)期，0-01的SbGA20ox3基因表達量最高（13.43），顯著高于其他品種，遼雜35的SbGA20ox3基因表達量最低（1.29）。抽穗期，遼雜35的SbGA20ox3基因表達量最高（3.45），9544.7057的SbGA20ox3基因表達量最低（0.39）。成熟期，0-01的SbGA20ox3基因表達量最高（6.06），遼2697的SbGA20ox3基因表達量最低（0.79）（圖2 b）。

2.3 SbGA2ox3基因在不同高粱品種各時期的基因表達規(guī)律 對同一父本9544.7037的遼夏梁1號、遼2297、遼2697、遼5397、01-26B的測定分析結果表明，拔節(jié)期，遼5397的SbGA2ox3基因表達量最高（0.95），遼2697的SbGA2ox3基因表達量最低（0.37）。抽穗期，01-26B的SbGA2ox3基因表達量最高（9.01），顯著高于其他4個品種;遼夏梁1號的SbGA2ox3基因表達量最低（0.86）。成熟期，遼夏梁1號的SbGA2ox3基因表達量最高（3.46），遼5397的SbGA2ox3基因表達量最低（1.45）。試驗結果還顯示，除遼夏梁1號外，遼2297、遼2697、遼5397、01-26B的基因表達量均符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期。而遼夏梁1號的基因表達量符合拔節(jié)期<抽穗期<成熟期（圖3 a）。

對同一母本01-26A的遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697的測定分析結果表明，拔節(jié)期，3550的SbGA2ox3基因表達量最高（3.86），遼2697的SbGA2ox3基因表達量最低（0.98）。抽穗期，遼雜35的SbGA2ox3基因表達量最高（0.40），9544.7057的SbGA2ox3基因表達量最低（0.14），但與品種3550、0-01的SbGA2ox3基因表達量相差無幾。成熟期，3550的SbGA2ox3基因表達量最高（3.09），0-01的SbGA2ox3基因表達量最低（0.43）。試驗結果還顯示，遼雜35、0-01、9544.7057、3550、遼2697 5個品種的高粱SbGA2ox3基因表達量均符合拔節(jié)期>成熟期>抽穗期（圖3 b）。

3 討論

高粱可以用作多種營養(yǎng)食品，其功能特性和作為食品的應用已廣為人知[5]。 赤霉素在非生物脅迫耐受性中起重要作用[19]。已有研究表明，赤霉素能促進細胞的分裂和伸長，且在植物的整個生命周期內都起作用[9]。而赤霉素在植物各時期的水平受許多小基因家族調控，其中SbGA20ox1基因和SbGA20ox3基因對于赤霉素水平有正調節(jié)作用，SbGA2ox3基因對于赤霉素水平有負調節(jié)作用。

該研究表明，SbGA20ox1基因在相同父本不同母本高粱組，拔節(jié)期的基因表達量很低，且除遼2297品種外均符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期規(guī)律。SbGA20ox1基因在相同母本不同父本高粱組的3個時期，表達量差異不大，無明顯規(guī)律。SbGA20ox3基因在相同父本不同母本高粱組，除品種遼2297外的品種，拔節(jié)期的基因表達量最高，但各時期間基因表達量的差異并不大。SbGA20ox3基因在相同母本不同父本高粱組，除遼雜35外的高粱品種在拔節(jié)期的基因表達量最高。SbGA2ox3基因在相同父本不同母本高粱組，拔節(jié)期的基因表達量偏低，除遼夏梁1號外，其余高粱品種基因表達量均符合抽穗期>成熟期>拔節(jié)期。SbGA2ox3基因在相同母本不同父本高粱組，抽穗期的基因表達量很低，5個高粱品種基因表達量均符合拔節(jié)期>成熟期>抽穗期。

參考文獻

[1]

李玥瑩，李春陽，邢慧清，等.高粱抗絲黑穗病SCAR標記的建立[J].沈陽師范大學學報（自然科學版），2016，34（4）：468-472.

[2] 鄧小鋒，彭秋，李青風，等.高粱炭疽病抗性機理研究進展[J].貴州農(nóng)業(yè)科學，2019，47（11）：68-74.

[3] 張瑞棟，張壯，岳忠孝，等.播期對高粱營養(yǎng)與食味品質的調控效應[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報，2020，28（3）：386-394.

[4] WANG Y L，SUN J Z，ALI S S，et al. Identification and expression analysis of Sorghum bicolor gibberellin oxidase genes with varied gibberellin levels involved in regulation of stem biomass[J/OL].Industrial crops and products，2020，145[2020-11-07].https：//doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.111951.

[5] ADEBO O A.African sorghum-based fermented foods：Past，current and future prospects[J].Nutrients，2020，12（4）：1111.

[6] THOMAS L L，ESPINOSA C D，GOODBAND R D，et al. Nutritional evaluation of different varieties of sorghum and the effects on nursery pig growth performance [J].Journal of animal science，2020，98（5）：1-16.

[7] 江偉，韋杰，李寶生，等.不同原料釀造單糧白酒風味物質特異性分析[J].食品科學，2020，41（14）：234-238.

[8] 艾雪瑩.種植密度和配置方式對高粱生長發(fā)育及微環(huán)境的影響[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2019.

[9] 李佳衡.高粱形態(tài)及生理特性對不同肥料的響應[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學，2019.

[10] 寇興凱，徐同成，宗愛珍，等.高梁的營養(yǎng)價值以及應用現(xiàn)狀[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2015，43（21）：271-273.

[11] 高秀華，傅向東.赤霉素信號轉導及其調控植物生長發(fā)育的研究進展[J].生物技術通報，2018，34（7）：1-13.

[12] 邢丹，黃勇蘭，趙洪，等.參薯赤霉素途徑基因的克隆與表達分析[J].分子植物育種，2020，18（6）：1755-1761.

[13] 安迪.赤霉素對兔眼藍莓生長發(fā)育的影響研究[D].杭州：浙江農(nóng)林大學，2018.

[14] 陳子奇. 利用鈍化內源赤霉素策略創(chuàng)制半矮稈玉米[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2019.

[15] GAO S J，XIE X Z，YANG S G，et al.The changes of GA level and signaling are involved in the regulation of mesocotyl elongation during blue light mediated de-etiolation in Sorghum bicolor[J].Molecular biology reports，2012，39（4）：4091-4100.

[16] RODRGUEZ M V，MENDIONDO G M，CANTORO R，et al. Expression of seed dormancy in grain sorghum lines with contrasting pre-harvest sprouting behavior involves differential regulation of gibberellin metabolism genes[J].Plant and cell physiology，2012，53（1）：64-80.

[17] 高華晨.不同高粱品種抗氧化指標及內源激素分析[D].沈陽：沈陽師范大學，2019.

[18] 鄭月英，魏勝娟，董書圣，等.梅山豬前體脂肪細胞的分離培養(yǎng)及分化相關基因的表達規(guī)律研究[J].畜牧與獸醫(yī)，2017，49（6）：9-14.

[19] EMAMVERDIAN A，DING Y L，MOKHBERDORAN F.The role of salicylic acid and gibberellin signaling in plant responses to abiotic stress with an emphasis on heavy metals[J].Plant signaling & behavior，2020，15（7）：1-10.