Evolution of the DELLA gene family in plants and functional characterization of PmDELLA-like in the regulation of plant architecture in Prunus mume
本研究阐明了324种植物中DELLA基因家族的进化历史，并证明了黄梅（*Prunus mume*）基因*PmDELLA-like*通过将赤霉素信号传导与光响应及细胞伸长途径相结合，作为植物形态建成的重要调节因子，从而控制木本植物的生长与分枝。
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植物是形态变化的专家，它们不断调整高度和分枝，以在阳光竞争或恶劣环境中生存。这种灵活性的核心在于一套由激素驱动的精密内部通信系统，特别是被称为赤霉素（gibberellins）的一类激素。可以将赤霉素想象成植物的“生长加速器”；当赤霉素水平较高时，茎部会伸长，细胞会分裂，植物便向着天空生长。然而，大自然很少允许不受控制的加速。为了防止植物长得过高或过快，植物利用了一套被称为 DELLA 蛋白的分子刹车系统。这些蛋白质充当中央开关，在激素信号指示它们退位之前，始终将生长控制在一定范围内。当赤霉素存在时，它会与一个受体结合，该受体会标记 DELLA 蛋白进行降解，从而有效地释放刹车，让植物生长。这种在加速器与刹车之间的微妙平衡，决定了树木或花卉的最终形态，影响着从农作物产量到观赏园林美学形式的一切。
几十年来，科学家们已经了解了这一系统在拟南芥等模式植物中是如何运作的，但关于这些分子刹车如何在整个生命树上进化的完整故事仍不完整。青岛农业大学及其同事开展的一项新研究，追踪了这些蛋白质在数亿年间的演化历史，并跨越了数百个不同的物种。通过检查 324 个不同植物物种（从古老的苔藓到现代的开花树木）的遗传蓝图，该团队重建了 DELLA 家族的进化历程。他们发现，这些蛋白质并非完全成形后出现的，而是通过三个截然不同的阶段进化的，这反映了植物生长控制机制的逐步组装过程。在最早期的陆生植物中，这种分子“刹车”是一个松散、多变的结构，独立于激素信号运行。随着维管植物的进化，这种结构硬化为一种精确且保守的形状，终于能够与赤霉素受体相互作用，创造出了现代的“开-关”式开关。随后，随着开花植物的多样化，该家族分裂成了两个不同的谱系：一个保留了经典的、对激素敏感的刹车；另一个则进化成了永久性的、无法被移除的硬性刹车。
研究人员随后将注意力转向了梅花（Prunus mume），这种树因其早春的花朵和优雅舒展的分枝而深受珍爱。尽管具有园艺价值，但由于控制其形态的遗传规则尚不明确，培育用于盆景和盆栽的紧凑型、高度分枝的品种一直十分困难。团队在梅花中鉴定出一种特定的基因，将其命名为 PmDELLA-like，它属于第二种“永久性刹车”谱系。与经典的 DELLA 蛋白不同，这个版本的蛋白失去了与赤霉素受体结合的能力，这意味着它无法被激素信号所降解。为了了解这个基因的具体作用，科学家进行了一系列实验。他们首先确认该基因在树木的生长顶端和幼叶芽中最为活跃，而这些部位正是决定高度和分枝的关键之处。令人惊讶的是，尽管该蛋白本身不能被赤霉素降解，但当植物被喷洒激素时，该基因的活性反而增加了，这表明植物利用它作为一种反馈机制来微调其生长。
为了观察该基因在实际中的作用，研究人员将 PmDELLA-like 基因引入了生长迅速的模式植物杨树中，以观察当树木被迫产生过量这种“永久性刹车”时会发生什么。结果非常显著。经过改造的杨树比正常植株明显更矮，叶片之间的距离也更短。它们不再是单干高耸，而是变得丛生，长出了密集的侧枝网络。在显微镜下，这些改良树木茎部的细胞明显更小且排列更紧密，这表明该基因成功抑制了细胞的扩张与分裂。科学家还测量了这些树木体内的激素水平，发现其内源赤霉素含量下降了。这表明，这种“永久性刹车”的存在会触发植物减少自身生长激素的产生，从而形成一个自我强化的紧凑循环。
通过深入挖掘该基因引起的遗传变化，团队分析了改良杨树茎部中所有活跃基因的集合。他们发现，该基因不仅仅是一个简单的“停止信号”；它重新编排了植物的内部时钟及其对光的反应。控制每日昼夜节律以及帮助植物感知光照强度的基因都发生了显著改变。这表明 PmDELLA-like 蛋白作为一个中心枢纽，将时间信息、光质信息与激素信号整合在一起，以决定树木如何生长。通过连接这些不同的系统，该基因使植物能够根据其环境协调其高度和分枝。研究结论指出，虽然经典的 DELLA 蛋白是生长的主要开关，但这种 DELLA-like 变体则是一个复杂的调节器，通过平衡激素水平与光照及时间信号来微调植物的形态。这些发现为希望开发具有紧凑、丛生形态的观赏树木的育种者提供了新的路线图，提供了一个可以操纵木本植物形态的具体遗传靶点，而无需依赖传统的、往往难以预测的育种方法。
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