全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2009, 35(10): 1822−1830 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA10Z134)资助。
*
通讯作者(Corresponding author): 肖月华, E-mail: xiaoyuehua@swu.edu.cn
第一作者联系方式: E-mail: dj0852@163.com
Received(收稿日期): 2009-03-03; Accepted(接受日期): 2009-06-25.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2009.01822
棉花赤霉素不敏感矮化 GID1同源基因的克隆和表达分析
董 静 尹梦回 杨 帆 赵 娟 覃 珊 侯 磊 罗 明
裴 炎 肖月华*
西南大学生物技术中心 / 农业部生物技术和作物品质改良重点实验室, 重庆 400716
摘 要: 作为赤霉素(GA)受体, GID1是其重要的信号传导组分。为研究 GA在棉花发育(特别是纤维发育)中的作用,
本文在 EST 序列的基础上克隆了 6 个棉花 GID1 同源基因(GhGID1-1~6)。多重序列分析表明, 棉花 GID1 同源蛋白
GhGID1-1~6 与拟南芥和水稻的 GID1 蛋白高度同源, 具有多个与 GA 和 DELLA 蛋白的结合位点以及激素敏感酯酶
家族保守域HGG和GXSXG。定量 RT-PCR分析表明, GhGID1-1~6基因在棉花不同器官和组织中表达水平有差异, 其
中 GhGID1-1 和 GhGID1-2 在花器官中高表达, GhGID1-4 基因在纤维和根中优势表达。胚珠体外培养基中外加 GA
使 GID1同源基因表达水平发生变化, GhGID1-1和 GhGID1-2基因的表达水平明显受 GA抑制。比较发现, 在胚珠和
纤维中优势表达的 GID1 同源基因不同, GID1 基因表达水平随发育时期变化的趋势也不相同, 表明棉花胚珠和纤维
具有相对独立的 GA信号识别系统。
关键词: GID1; 棉花; 纤维发育; 表达特异性
Cloning and Expression Profiling of Gibberellin Insensitive Dwarf GID1 Ho-
mologous Genes from Cotton
DONG Jing, YIN Meng-Hui, YANG Fan, ZHAO Juan, QIN Shan, HOU Lei, LUO Ming, PEI Yan, and
XIAO Yue-Hua*
Biotechnology Research Center, Southwest University / Key Laboratory of Biotechnology and Crop Quality Improvement, Ministry of Agriculture,
Chongqing 400716, China
Abstract: Gibberellins (GA) play an important role in regulating cotton fiber development. As the GA receptor, GID1 is an essen-
tial component of GA signaling pathway. To advance our understanding of GA’s functions in cotton development (especially fiber
development), we cloned six cotton GID1 homologous genes (GhGID1-1–6, accession No. are FJ790125–FJ790130) by searching
EST sequences, extending the flanking sequences by Y-shaped adaptor dependent extension (YADE) method and amplifying the
full-length cDNA by 3-RACE. Multiple sequence alignment indicated that the deduced GhGID1-1–6 proteins shared high se-
quence identity with GID1s from other species and contained multiple binding sites with GA and DELLA protein as well as HGG
and GXSXG domains conserved in hormone-sensitive lipase (HSL) family. Three amino acid residuals (G169, G196, and R251) with
the rice GID1 function were also conserved in cotton GID1s. In the phylogenetic tree of GhGID1-1–6 and other GID1 proteins
with known function, GhGID1-1–6 were clustered with 3 Arabidopsis GID1 proteins, and distantly related to GID1s from rice and
S. moellendorffii. Quantitative RT-PCR was employed to detect the expression levels of GhGID1-1–6 in various organs and tissues.
The transcripts of GhGID1-1–6 could be detected in all the organs and tissues investigated (including roots, hypocotyls, leaves,
petals, anthers, ovules and fibers), although with various levels. GhGID1-1 and GhGID1-2 expressed mainly in floral organs,
while GhGID1-4 expressed preferentially in fiber and root. Exogenous GA added in medium led to alteration of gene expression
level in the in vitro cultivated ovules, and the expressions of GhGID1-1 and GhGID1-2 were obviously inhibited by GA. These
results suggested that GhGID1-1–6 might encode biologically functional GID1 homologues involved in GA signaling in cotton.
To further clarify GID1 genes related to fiber development, we compared GhGID1s’ expression in developing ovule (from 6 to 18
days post anthesis, DPA) and the attached fibers by quantitative RT-PCR. GhGID1-1 was predominantly expressed in ovules, and
its expression level reached the climax at 10 DPA, and kept the high level at 14 DPA and 18 DPA, while in fibers, GhGID1-4 was
the main GID1 homologue expressed, and its highest-level expression occurred at 6 DPA, and declined to a very low level at 14
第 10期 董 静等: 棉花赤霉素不敏感矮化 GID1同源基因的克隆和表达分析 1823


DPA and 18 DPA. This result strongly suggested that these are relatively independent GA signaling systems in ovules and attached
fibers.
Keywords: GID1; Cotton; Fiber development; Expression specificity
赤霉素(gibberellins, GA)是一类重要的植物激
素和生长调节剂, 它参与了植物多种生长发育过程
的调节过程, 如促进种子萌发、根的伸长、茎叶生
长、花芽分化、果实和种子的发育等[1-2]。GID1 基
因编码一个可溶性的 GA 受体, 它首先从水稻一个
赤霉素不敏感矮化(gibberellin insensitive dwarf, GID1)
突变体中克隆[3]。GID1蛋白能特异地结合活性 GA,
并进一步与GA负调控因子DELLA蛋白结合形成复
合体。该复合物通过介导 DELLA 蛋白的降解或抑
制 DELLA蛋白的活性, 解除 DELLA蛋白对 GA反
应系统的抑制作用, 激活 GA反应基因[3-7]。近年来,
GID1蛋白作为 GA信号识别和传导的一个重要组成
部分, 已成为继 DELLA蛋白后研究 GA信号传导的
又一热点。此外, 转基因研究表明, 上调 GID1基因
的表达可以提高转基因植物的 GA 敏感性, 使之表
现出 GA 过量的表型[3,6-7]。因此, GID1 基因可以作
为目的基因进行 GA相关生理过程的转基因调控。
棉花纤维是由胚珠外表皮细胞极度伸长形成的
单细胞纤维, 成熟的纤维含有 95%以上的纤维素。
棉纤维独特的细胞结构和化学成分为研究细胞伸
长、碳素分配等生理过程提供了良好的模式系统[8]。
前人的研究表明 GA 在棉花纤维的生长发育过程中
起着重要的调控作用[9-15]。在培养基中添加 GA3 能
促进体外培养胚珠的纤维起始和伸长 [9-13], 而在植
株开花前的花蕾上外施 GA3能增加单个胚珠的纤维
数目[14]; 程超华等[13]认为外源激素 IAA或 GA3能使
纤维突变体的纤维伸长, 并且两者在促进纤维伸长
过程中存在协同作用 ; 杜雄明等 [15]研究表明内源
GA1+3在受精后促进胚珠的增重和纤维的伸长。近年
来, 棉花胚珠和纤维的转录组研究发现一些 GA 合
成和反应相关基因在纤维起始和伸长过程中上调表
达[16-18], 暗示了 GA 的合成和反应均在棉花纤维发
育中起着重要的调控作用。
为研究棉花的 GA反应机制, Aleman等[19]从棉
花中克隆了 2个 GID1和 2个 DELLA蛋白基因, 并
通过原核表达、酵母双杂交和转基因互补等方法研
究了这些蛋白的功能和互作。但 Aleman 等[19]克隆
的 2个棉花GID1基因在花器官中优势表达, 暗示这
2个基因可能主要与花器官的发育有关。迄今, 还未
见与棉花纤维发育相关的 GID1 基因的报告。为研
究 GA 反应在棉花纤维发育中的作用, 笔者从已有
的同源 EST 出发, 克隆了 6 个棉花 GID1 同源基因
(GhGID1-1~6), 它们的表达具有组织或器官特异性,
其中 GhGID1-4 在伸长期纤维中优势表达 , 暗示
GID1基因可能参与了棉花纤维伸长的调控。
1 材料与方法
1.1 试验材料
陆地棉(Gossypium hisutum L.)徐州 142 由中国
农业科学院棉花研究所杜雄明研究员提供。转化用
大肠杆菌菌株 DH5α 为本实验室保存。限制性内切
酶购自 Roche公司, Taq DNA聚合酶、反转录试剂
盒和定量 PCR 试剂盒购自大连 TaKaRa 公司, 其他
试剂均为进口或国产分析纯。
1.2 同源 EST的查询及分析
以水稻GID1蛋白(GenBank登录号为AB211399)
作探针序列, 用 tBlastn方法查询 GenBank中的陆地
棉 EST序列(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/, 2007)。将
获得的 Unigene 和单个 EST (singleton)序列通过
Blastx 查询转换为氨基酸序列。进一步与水稻和拟
南芥的 GID1 蛋白进行多重序列比较和聚类分析。
根据与 GID1 蛋白聚为一类的 Unigene 和 singleton
序列设计引物进行全长序列克隆。引物序列见表 1。
1.3 序列延伸与 3 RACE扩增
用本实验室所改良的 CTAB 法提取棉花
DNA[20]。对于无起始 ATG的部分序列(AI055546和
Ghi4864), 首先用 Y 形接头延伸(Y-shaped adaptor
dependent extension, YADE)方法扩增该序列的相邻
序列[20-21]。按 Xiao等[21]进行 YADE扩增的 DNA酶
切、接头连接和扩增。
获得起始 ATG 序列后, 在 ATG 上游设计基因
特异引物, 用 3′ RACE 方法扩增各个基因的 cDNA
序列。采用约 5 μg的根、花和开花后 10 d的胚珠(包
括纤维)的总 RNA 作模板进行反转录, 参照试剂盒
说明书进行(TaKaRa)其余操作。在 1.2%的琼脂糖凝
胶上电泳检测扩增产物。切胶回收目的产物, 克隆到
AT克隆载体 pGEM-T(Promega)上, 并在 Invitrogen公
司(上海)进行双向测序。
1.4 RNA提取和定量 RT-PCR分析
为检测棉花 GID1 同源基因在不同组织中的相
1824 作 物 学 报 第 35卷

表 1 本文所用引物的序列和用途
Table 1 Sequence and purpose of primers used in this paper
基因
Gene
Unigene/EST
引物序列
Primer sequences (5′−3′)
用途
Usage

AGTCTGGTTTGTTCGGCCAT 3′ RACE上游引物 Upstream primer for 3 RACE
ACCATCCAGCTTGTAATCCA 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR
GhGID1-1 Ghi9117
GTTACGGTTCAGTGGAGACT 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
GAGCCATGGCTGGTAGCAA 3′ RACE上游引物 Upstream primer for 3 RACE
CGAAAAGTCTGGTAGTCGTG 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR
GhGID1-2 Ghi10228
CTACGCAGGGTGAGTGGTA 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
CATGGCTGGTAGAAATGAAG 3′ RACE上游引物 Upstream primer for 3 RACE
CTGAAGGCGAAGATCGAGA 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR
GhGID1-3 Ghi2061
GTCCGACTTAATAGACCCTT 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
TTCATGGTGGGAGCTTTGCA 3′-延伸的第一个 YADE引物 The first YADE primer for 3′-extension
TTCCTCGGCGAATAGTGCTA 3′-延伸的第二个YADE引物 The second YADE primer for 3′-extension
GGATTCCACAGCTCGTGC 5′-延伸的第一个 YADE引物 The first YADE primer for 5′-extension
CGCAACATGGTGTGCGATG 5′-延伸的第二个YADE引物 The second YADE primer for 5′-extension
GGAATGGCTGGAAGTAATGA 3′ RACE上游引物 Upstream primer for 3 RACE
ACCTAACGGTAGAAGTCTTG 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR
GhGID1-4 AI055546
Ghi4864
AATCACCCCGAGATCGTGAA 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
GGAAATGGCTAGAAGTAATGA 3′ RACE上游引物 Upstream primer for 3 RACE
CTAACGGTAGAAGTCTCGAG 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR
GhGID1-5 Ghi13407
GAATGTCAAGCTCCTGTCGT 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
CCTAACGGTAGAAGTCTTGAA 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR GhGID1-6 Ghi13407
TAACAGTATGGAAGTGATTGC 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR
GAAGCTGCAGAGGCATACC 定量 RT-PCR上游引物 Upstream primer for quantitative RT-PCR Histone3
CTACCACTACCATCATGGC 定量 RT-PCR下游引物 Downstream primer for quantitative RT-PCR

对转录水平, 提取在大田栽培条件下棉花不同组织
的 RNA分别进行定量 RT-PCR分析。根和下胚轴取
自萌发后 5 d的幼苗, 茎和叶取自成熟植株。开花当
天标记花朵, 按开花后不同天数取不同发育时期的
胚珠和纤维。
定量 RT-PCR 分析参照试剂盒说明书(TaKaRa)
进行。取约 1 μg总 RNA进行反转录合成 cDNA一
链, 将产物稀释 5倍后取 5 μL作模板进行定量 PCR
分析。用棉花 Histone3 基因作内标[22], 各个基因的
特异引物见表 1。为保证相似的扩增效率, 扩增片段
均设计在 ORF的 3端, 片段长度 200~300 bp。扩增
条件为 95℃ 2 min; 94℃变性 30 s, 56℃退火 30 s,
72℃延伸 30 s, 40个循环。定量 PCR分析在 Bio-Rad
公司 Icycler IQ 定量 PCR 检测系统上完成, 每样品
进行 3 次重复。将 GID1 同源基因和 Histone3 基因
荧光检测值的比值作为各个 GID1 同源基因转录强
度的相对定量值 , 用 Excel 程序进行数据分析与
作图。
1.5 胚珠培养和激素处理
用体外培养的棉花胚珠(包括纤维)研究不同激
素对 GID1同源基因表达水平的影响。取开花后 2 d
的胚珠分别在加有 0.5 μmol L−1 GA3, 5 μmol L−1 IAA
和 0.15 μmol L−1 BR的 BT培养基[9]上漂浮培养, 以
不加激素的 BT 培养基上培养相同时间的胚珠作对
照, 培养 12 h后提取 RNA, 进行定量 RT-PCR分析。
2 结果与分析
2.1 棉花 GID1 同源 EST 的序列分析和 cDNA 基
因的克隆
用水稻GID1蛋白(GenBank登录号为AB211399)
作探针序列, 查询 GenBank 中的陆地棉 EST 序列
(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/, 2007), 共获得 8 个同
源 Unigene 和 1 个 singleton 序列。多重序列比较和
聚类分析表明, 5个 Unigene (Ghi9117、Ghi10228、
Ghi2061、Ghi4864 和 Ghi13407)和 1 个 singliton
(AI055546)与水稻和拟南芥GID1蛋白聚为一类(表 1
第 10期 董 静等: 棉花赤霉素不敏感矮化 GID1同源基因的克隆和表达分析 1825


和未显示资料), 可能代表棉花的 GID1 同源基因。
因此, 根据这些序列设计引物进行 YADE和 3′ RACE
扩增以克隆相应的基因。
Blastx 分析表明 Ghi9117、Ghi10228、Ghi2061
和 Ghi13407均含有起始 ATG, Ghi4864含有终止密
码子, 而 AI055546 只有在 ORF 中间部分序列。根
据 AI055546序列进行 YADE上下游序列延伸, 在 3′
和 5′端分别获得了 1 793 bp和 1 998 bp的序列。3′
端延伸产物与 Ghi4864 的序列重合, 表明 AI055546
和 Ghi4864来源于同一个基因。5′端延伸序列包含推
测的起始 ATG及其上游的 712 bp序列。
根据各个 GID1同源 Unigene的 ATG上游序列
设计引物进行 3 RACE扩增。除用 Ghi13407引物扩
增获得 2个 GID1同源基因外, 其余 Unigene均获得
1个相应的GID1同源基因(表 2), 这些基因分别被命
名为 GhGID1-1~6, GenBank 登录号为 FJ790125~
FJ790130。除 GhGID1-3编码 345氨基酸残基外, 其
余 5 个基因均编码 344 个氨基酸残基, 编码蛋白的
序列长度与拟南芥的 GID1a和 GID1c蛋白相当。序
列比较分析发现, GhGID1-1 和 GhGID1-2 与前人克
隆的 GhGID1a 和 GhGID1b 序列[16]极为相似, 相同
氨基酸分别达到 99.7%和 98.5%, 而相同碱基达到
99.7%和 98.7%。
2.2 棉花 GID1序列的同源性分析
为进一步研究棉花 GID1 同源蛋白与其他植物
GID1的关系, 将 GhGID1-1~6的编码蛋白与水稻[3]、
拟南芥 [23]和石松类 (Lycophyte)植物 Selaginella
moellendorffii[24]的 6个已获得功能验证的GID1蛋白
进行多重序列比较分析(图 1), 6个棉花 GID1同源蛋
白与其他 GID1 蛋白具有很高的序列相似性。在全
长上均有保守序列分布 , 经丙氨酸扫描(Ala scan-
ning)发现的各个与 GA 或 DELLA 蛋白的结合位点
(从 N 端到 C 端包括 TWVLIS、LDR、FFHGGSF、
HS、IYD、YRR、DGW、GDSSGGNI、GNI、MF、
LDGKYF、DYW和 GFY, 图 1)[24]在 6个棉花 GID1
中均是保守的。在 6个棉花 GID1蛋白中也有激素敏
感酯酶(hormone sensitive lipase, HSL)家族保守的
HGG 和 GXSXG 保守域[5]。与其他的 GID1 蛋白类
似, HSL催化相关的 3个氨基酸 S、D和 H, 只有 S
和 D在棉花 GID1中是保守的, 而 H被 I代替(图 1,
在拟南芥和水稻中该氨基酸为 V 或 I)。最后, 自发
突变证实与水稻 GID1功能相关的 3个氨基酸(G169、
G196和 R251)在 6个棉花 GID1蛋白中也是保守的[5,25]。
这些结果表明GhGID1-1~6基因是棉花的GID1同源
基因, 很可能编码有功能的GA受体, 参与棉花发育
过程中 GA信号的识别和传导。
在多重序列比较的基础上 , 我们获得了 GID1
蛋白与水稻、拟南芥和石松 GID1 蛋白的进化树(图
2)。从进化关系看, 6个棉花GID1蛋白与拟南芥GID1
蛋白亲缘关系最近, 与水稻 GID1关系较远, 而离石
松类 GID1 蛋白关系最远, 这与这些植物在分类学
上的距离是一致的。在同为双子叶植物的棉花和拟
南芥中, 9种GID1蛋白被区分为两类, GhGID1-1~3与
AtGID1B组成一类, 而 GhGIG1-4~6与 AtGID1A和
C组成另一类, 这说明双子叶植物中多个 GID1基因
的起源相当早, 至少可以追溯到十字花科和锦葵科
分化之前。
2.3 棉花 GID1同源基因的时空表达特性分析
6个棉花GID1同源基因在不同的棉花器官或组
织中均有不同程度的表达(图 3)。从总体看, GhGID1-
1和 GhGID1-2两个基因的表达水平最高, GhGID1-4
次之, 而 GhGID1-3、GhGID1-5和 GhGID1-6的表达
水平较低。在不同的器官和组织中, 6 个棉花 GID1
基因的表达水平各不相同。与 Aleman 等[19]的结果
一致, GhGID1-1和 GhGID1-2基因在花器官(花瓣和
花药)优势表达 , 在根中也有较高水平的表达 , 而

表 2 6个棉花 GID1同源基因的序列特性
Table 2 Sequence characteristic of GID1 homologous genes in cotton
基因名称
Gene name
GenBank登录号
Accession No.
cDNA长度
cDNA length (nt)
ORF长度
ORF length (nt/aa)
与已知蛋白的序列相似性
Sequence similarity to known protein
GhGID1-1 FJ790125 1249 1035/344 GhGID1a/99.7
GhGID1-2 FJ790126 1472 1035/344 GhGID1b/98.5
GhGID1-3 FJ790127 1153 1038/345 GhGID1b/88.7
GhGID1-4 FJ790128 1370 1035/344 AtGID1c/82.3
GhGID1-5 FJ790129 1568 1035/344 AtGID1c/81.7
GhGID1-6 FJ790130 1089 1035/344 AtGID1c/80.8

1826 作 物 学 报 第 35卷



图 1 棉花 GID1同源蛋白与其他 GID1蛋白的多序列比较
Fig. 1 Multiple sequence alignment of GhGID1s and GID1 proteins from other plants
右边数字表示氨基酸位置。实心线标出 GA或 DELLA蛋白的结合位点; HSL家族的 HGG和 GXSXG保守域由星号标出, HSL催化相
关的氨基酸用黑圆点显示; 箭头显示经自发突变证实与水稻 GID1功能相关氨基酸残基。AtGID1A~C: 拟南芥 GID1蛋白(GenBank登
录号为 NP_187163、NP_191860和 NP_198084); OsGID1: 水稻 GID1蛋白(AB211399); SmGID1a和 b: S. moellendorffii GID1蛋白
(ABX10756和 ABX10757)。
The numbers in the right of Fig. 1 indicate positions of the amino acid sequences of cDNA; Solid bars indicate the binding sites of GA and
DELLA proteins; HGG and GXSXG conserved domain of HSL family are marked by asterisks; amino acids related to HSL activity are indi-
cated by black dots; arrow heads present the amino acid residuals essential to the rice GID1 protein. AtGID1A~C: Arabidopsis GID1 proteins
(GenBank No. NP_187163, NP_191860 and NP_198084); OsGID1: rice GID1 protein (AB211399); SmGID1a and b: S. moellendorffii GID1
proteins (ABX10756 and ABX10757).

GhGID1-4基因主要在纤维和根中表达。
GhGID1-1、GhGID1-4 是胚珠和纤维中优势表
达的 GID1基因(图 4)。从开花后 6 d到开花后 18 d,
胚珠中 GhGID1-1基因的表达在开花后 10 d达到最
高, 之后在开花后 14 d和 18 d维持较高水平; 其余
5个GID1同源基因在胚珠中的表达也表现出相似的
变化趋势。在同时期的纤维中, GhGID1-4基因的表
达水平在开花后6 d最高, 花后10 d迅速降低, 暗示该
基因参与了纤维早期伸长的调控作用; 而 GhGID1-1
基因的表达在前期维持较低水平, 直到开花后 18 d
才显著升高。这些结果说明 GID1 基因在胚珠和纤
维中的表达调控是相对独立的, 也暗示胚珠和着生
其上的纤维有相互独立的 GA反应系统。
2.4 不同激素对棉花 GID1基因表达的影响
图 5所示, 与 GA处理结果相比较, BR和 IAA
处理使棉花胚珠中 GID1 同源基因的表达水平只出
现较弱的波动, 表明 BR和 IAA对GID1同源基因的
表达影响不大。而 GA处理后, 各个 GID1同源基因
第 10期 董 静等: 棉花赤霉素不敏感矮化 GID1同源基因的克隆和表达分析 1827


的表达水平有不同程度的降低, 其中 GhGID1-1 和
GhGID1-2 基因的表达受到明显抑制, 分别下调 27
和 25倍, 说明棉花 GID1同源基因(特别是 GhGID1-
1 和 GhGID1-2 基因)的表达可能受 GA 的反馈抑制
调节。
3 讨论
GID1 基因首先从水稻中克隆, 在水稻中只有 1
个拷贝[5], 并且只对应 1个 DELLA蛋白(SLR1)[26]。
相对于水稻, 拟南芥的 GA信号传导组分复杂得多。
在拟南芥中有 3 个 GID1 同源基因 (AtGID1A、
AtGID1B和 AtGID1C)和 5个DELLA蛋白基因(GAI、
RGA和 RGL1~3)[23]。拟南芥的 3 个 GID1基因的表
达谱互不相同, 但有一定的重叠, 在功能上既有相
对分化, 又能相互补充[27-28]。本文从棉花中克隆的 6
个GID1同源基因序列与拟南芥的GID1基因具有很
高的序列同源性, 并具有 GID1 功能相关的各个保
守氨基酸残基(如 DELLA蛋白和 GA结合位点、HSL
家族保守位点等), 可能编码有功能的 GA 受体, 参
与棉花 GA 信号识别和传导。在表达特性上, 棉花
的 6 个 GID1 同源基因表达模式差异很大(图 3), 在
不同的器官和组织中优势表达的 GID1 同源基因各



图 2 棉花 GID1同源蛋白与其他 GID1蛋白的进化树分析
Fig. 2 Unrooted phylogenetic tree of GhGID1s and GID1
proteins from other plants



图 3 6个棉花 GID1同源基因在不同器官和组织中的表达
Fig. 3 Expression level of six GID1 homologous genes in different cotton organs and tissues
Ro：RNA来源于根; Hy：下胚轴; Le：叶片; Pe：花瓣; An：花药; O0：开花当天胚珠; O6：开花后 6 d纤维(F6)和开花后 6 d胚珠。
Ro: RNA from roots; Hy: hypocotyls; Le: leaves; Pe: petals; An: anther; O0: 0-DPA ovule; O6: 6-DPA fibers (F6) and 6-DPA ovule.
1828 作 物 学 报 第 35卷

不相同, 表明各个 GID1 基因在功能上是相对分化
的。同时, 6个 GID1同源基因在不同器官和组织中均
能检测到不同程度的表达, 且这些基因的表达可能
受到 GA本身的调控(图 5), 暗示 GID1基因有可能在
功能上存在一定程度的相互补充。另外, 我们还从棉
花中克隆了 4个DELLA蛋白同源基因, 以及 4个GA
20-氧化酶基因、2个 GA 3-氧化酶基因和 6个 GA 2-
氧化酶基因(资料未显示)。这些结果预示棉花的 GA合
成代谢调控、信号识别和传导是一个非常复杂的系统。
GA 是一类重要的植物生长调节剂和激素, 参
与植物多种生理过程的调控。通过在植株上和体外
培养的胚珠上的施用或添加 GA, 人们发现 GA能够
促进棉花纤维的起始和伸长[9-11], 同时 GA也能促进
棉花胚珠的膨大[12,15]。但是, 在纤维发育过程中胚珠
和纤维的内源 GA合成代谢、GA信号识别和传导等
过程的分子调控机理如何, 胚珠和纤维的 GA 调控
系统有何关系, 有待进一步的研究。本文发现在纤
维和胚珠中, 不但优势表达的 GID1 同源基因不同
(图 3 和图 4, 分别为 GhGID1-4 和 GhGID1-1 基因),
GID1 同源基因表达水平随发育时期变化的趋势也
有差异(图 4), 表明胚珠和纤维可能具有相对独立的
GA反应系统。该结果为进一步研究 GA和 GID1基
因在棉花纤维发育中的作用奠定了基础。
前人对 GA 在棉花纤维发育中的作用主要采用
外源施用的方法进行研究。由于存在副作用、使用
成本高和造成环境污染等不足, 外源施用即使效果
良好也难以在生产中大面积应用[29]。作为 GA 的受
体, GID1基因的高表达能够提高植物的 GA敏感性,
导致 GA过量的表型, 同时能恢复 DELLA蛋白过量
造成的 GA不足的表型[5,7-8]。因此通过转 GID1基因



图 4 6个棉花 GID1同源基因在不同发育时期的胚珠和纤维中的表达
Fig. 4 Expression of six GID1 genes at various stages in cotton ovules and fibers

第 10期 董 静等: 棉花赤霉素不敏感矮化 GID1同源基因的克隆和表达分析 1829




图 5 6个棉花 GID1同源基因对不同激素的反应
Fig. 5 Response of six cotton GID1 homologous genes to various phytohormones
BT：BT培养基不加激素; GA：BT培养基添加 0.5 μmol L−1 GA3; BR：BT培养基添加 0.15 μmol L−1 BR; IAA：BT培养基添加 5 μmol L−1 IAA。
BT: BT medium without any phtohormone; GA: BT medium with 0.5 μmol L−1 GA3; BR: BT medium with 0.15 μmol L−1 BR;
IAA: BT medium with 5 μmol L−1 IAA.

调控植物 GA 敏感性促进植物生长发育是可行的。
棉花 GID1基因(特别是纤维特异的 GID1基因)的克
隆为通过调控 GA 反应促进纤维发育、改良棉花纤
维产量和品质提供了可能的目的基因。
4 结论
从棉花中克隆了 6 个 GID1 同源基因(GhGID1
-1~6)。棉花 GID1 同源蛋白 GhGID1-1~6 与拟南芥
和水稻的 GID1蛋白高度同源。GhGID1-1~6基因的
表达在不同器官和组织, 以及胚珠和纤维的不同发
育时期中有差异 , 可能均受发育信号的调控。
GhGID1-4 基因在伸长期(开花后 6 d)的纤维中优势
表达, 可能参与纤维伸长的调控。在体外培养的胚
珠(包括纤维)中, GhGID1-1和GhGID1-2的表达明显
受到 GA的反馈抑制。
References
[1] Swain S M, Singh D P. Tall tales from sly dwarves: Novel func-
tions of gibberellins in plant development. Trends Plant Sci, 2005,
10: 123–129
[2] Olszewski N, Sun T, Gubler F. Gibberenllin signaling: Biosyn-
thesis, catabolism, and response pathways. Plant Cell, 2002,
14(suppl): 61–80
[3] Ueguchi-Tanaka M, Ashikari M, Nakajima M, Itoh H, Katoh E,
Kobayashi M, Chow T Y, Hsing Y I, Kitano H, Yamaguchi I,
Matsuoka M. GIBBERELLIN INSENSITIVE DWARF1 encodes
a soluble receptor for gibberellin. Nature, 2005, 437: 693–698
[4] Ueguchi-Tanaka M, Nakajima M, Motoyuki A, Matsuoka M.
1830 作 物 学 报 第 35卷

Gibberellin receptor and its role in gibberellin signaling in plants.
Annu Rev Plant Biol, 2007, 58: 183–198
[5] Hirano K, Ueguchi-Tanaka M, Matsuoka M. GID1-mediated gib-
berellin signaling in plants. Trends Plant Sci, 2008, 13: 192–199
[6] Ueguchi-Tanaka M, Hirano K, Hasegawa Y, Kitano H, Matsuoka
M. Release of the repressive activity of rice DELLA protein
SLR1 by gibberellin does not require SLR1 degradation in the
gid2 mutant. Plant Cell, 2008, 20: 2437–2446
[7] Ariizumi T, Murase K, Sun T P, Steber C M. Proteolysis
independent downregulation of DELLA repression in Arabi-
dopsis by the gibberellin receptor GIBBERELLIN INSENSITIVE
DWARF1. Plant Cell, 2008, 20: 2447–2459
[8] Kim H J, Triplet B A. Cotton fiber growth in planta and in vitro:
Models for plant cell elongation and cell wall biogenesis. Plant
Physiol, 2001, 127: 1361–1366
[9] Beasley C A, Ting I P. The effects of plant growth substances on
in vitro fiber development from fertilized cotton ovules. Am J Bot,
1973, 60: 130–139
[10] Davidonis G H. A comparison of cotton ovule and cotton cell sus
pension cultures: Response to gibberellic acid and 2-chloroethyl-
phosphonic acid. J Plant Physiol, 1993, 141: 505–507
[11] Gialvalis S, Seagull R W. Plant hormones alter fiber initiation in
unfertilized, cultured ovules of Gossypium hirsutum. J Cotton Sci,
2001, 5: 252–258
[12] Jiang S-L(蒋淑丽), Wang X-D(王学德). Fiber induction and de-
velopment from cotton ovules of five fiber mutants in vitro. Cot-
ton Sci (棉花学报), 2002, 14(2): 71–75 (in Chinese with English
abstract)
[13] Cheng C-H(程超华), Wang X-D(王学德), Yao Y-L(姚艳玲).
Inducement of fiber cell elongation from ovule of lintless mutant
(Ligon cotton, Gossypium hirsutum L.) in vitro with IAA and
GA3. Acta Agron Sin (作物学报), 2005, 31(2): 229–233 (in Chi-
nese with English abstract)
[14] Seagull R W, Giavalis S. Pre- and post-anthesis application of
exogenous hormones alters fiber production in Gossypium hirsu-
tum L. cultivar Maxxa GTO. J Cotton Sci, 2004, 8: 105–111
[15] Du X-M(杜雄明), Chen J-G(陈金桂), Zhang T-Z(张天真), Pan
J-J(潘家驹), Wang R-H(汪若海). Difference of endogenous hor-
mones level in cotton ovules of 5 fiber mutants and effects on
fiber initiation and early development. Acta Gossypii Sin (棉花学
报), 1998, 10(1): 43–51 (in Chinese with English abstract)
[16] Shi Y H, Zhu S W, Mao X Z, Feng J X, Qin Y M, Zhang L,
Cheng J, Wei L P, Wang Z Y, Zhu Y X. Transcriptome profiling,
molecular biological, and physiological studies reveal a major
role for ethylene in cotton fiber cell elongation. Plant Cell, 2006,
18: 651–664
[17] Yang S S, Cheung F, Lee J J, Ha M, Wei N E, Sze S H, Stelly D
M, Thaxton P, Triplett B, Town C D, Chen Z J. Accumulation of
genome-specific transcripts, transcription factors and phytohor-
monal regulators during early stages of fiber cell development in
allotetraploid cotton. Plant J, 2006, 47: 761–775

[18] Taliercio E W, Boykin D. Analysis of gene expression in cotton
fiber initials. BMC Plant Biol, 2007, 7: 22
[19] Aleman L, Kitamura J, Abdel-mageed H, Lee J, Sun Y, Nakajima
M, Ueguchi-Tanaka M, Matsuoka M, Allen R D. Functional
analysis of cotton orthologs of GA signal transduction factors
GID1 and SLR1. Plant Mol Biol, 2008, 68: 1–16
[20] Xiao Y-H(肖月华), Luo M(罗明), Fang W-G(方卫国), Luo
K-M(罗克明), Hou L(侯磊), Li D-M(李德谋), Pei Y(裴炎). PCR
walking in cotton genome using YADE menthod. Acta Genet Sin
(遗传学报), 2002, 29(1): 62–66 (in Chinese with English ab-
stract)
[21] Xiao Y H, Peng Y, Luo M, Li D M, Hou L, Pei Y. Sequential am-
plification of flanking sequences by Y-shaped adaptor dependent
extension using multiple templates. J Plant Physiol Mol Biol,
2007, 33: 85–90
[22] Zhu Y Q, Xu K X, Luo B, Wang J W, Chen X Y. An
ATP-binding cassette transporter GhWBC1 from elongating cot-
ton fibers. Plant Physiol, 2003, 133: 580–588
[23] Griffiths J, Murase K, Rieu I, Zentella R, Zhang Z L, Powers S J,
Gong F, Phillips A L, Hedden P, Sun T P, Thomas S G. Genetic
characterization and functional analysis of the GID1 gibberellin
receptors in Arabidopsis. Plant Cell, 2006, 18: 3399–3414
[24] Hirano K, Nakajima M, Asano K, Nishiyama T, Sakakibara H,
Kojima M, Katoh E, Xiang H, Tanahashi T, Hasebe M, Banks J
A, Ashikari M, Kitano H, Ueguchi-Tanaka M, Matsuoka M. The
GID1-mediated gibberellin perception mechanism is conserved in
the lycophyte Selaginella moellendorffii but not in the bryophyte
Physcomitrella patens. Plant Cell, 2007, 19: 3058–3079
[25] Ueguchi-Tanaka M, Nakajima M, Katoh E, Ohmiya H, Asano K,
Saji S, Hongyu X, Ashikari M, Kitano H, Yamaguchi I, Matsu-
oka M. Molecular interactions of a soluble gibberellin receptor,
GID1, with a rice DELLA protein, SLR1, and gibberellin. Plant
Cell, 2007, 19: 2140–2155
[26] Itoh H, Ueguchi-Tanaka M, Matsuoka M. Molecular biology of
gibberellins signaling in higher plants. Intl Rev Cell Mol Biol,
2008, 268: 191–221
[27] Iuchi S, Suzuki H, Kim Y C, Iuchi A, Kuromori T, Uegu-
chi-Tanaka M, Asami T, Yamaguchi I, Matsuoka M, Kobayashi
M, Nakajima M. Multiple loss-of-function of Arabidopsis gib-
berellin receptor AtGID1s completely shuts down a gibberellin
signal. Plant J, 2007, 50: 958–966
[28] Nakajima M, Shimada A, Takashi Y, Kim Y C, Park S H, Uegu-
chi-Tanaka M, Suzuki H, Katoh E, Iuchi S, Kobayashi M, Maeda
T, Matsuoka M, Yamaguchi I. Identification and characterization
of Arabidopsis gibberellin receptors. Plant J, 2006, 46: 880–889
[29] Li Y, Duan H, Wu Y H, McAvoy R J, Pei Y, Zhao D, Wurst J, Li
Q, Luo K. Transgenics of plant hormones and their potential ap-
plication in horticultural crops. In: Liang G H, Skinner D Z, eds.
Genetically Modified Crops: Their Development, Uses, and Risks.
New York: Food Products Press, an imprint of the Haworth Press,
2004. pp 101–112