【研究背景】以资源节约为核心的精准、简化、高效栽培技术创新与应用是现代农业发展的主要方向,作物化学控制技术在作物生长定量调节、株型调控、微生态环境改善等方面具有独特效果,已成为棉花、玉米、水稻等栽培关键技术。调控赤霉素合成和信号通路关键基因是”绿色革命”以来提高谷物产量和资源利用效率的重要途径,以赤霉素合成为调控靶标的调节剂DS-3201 IC50缩节安(DPC,1,1-二甲基哌啶鎓),显著调控棉花植株生长,有效塑造株型,但其在玉米、水稻等单子叶作物作用不明显。因此揭示DPC对不同作物生长调控敏感性差异分子机制,构建宜于DPC调控的轻简作物,对拓展DPC在作物上应用具有重要意义。【材料与方法】选择棉花、玉米及拟南芥为供试材料,采用外源DPC处理,分析不同作物对其敏感性;应用体外纯化赤霉素合成基因CPSs(内根-古巴焦磷酸合成酶)蛋白、构建E.coli细胞工程体系及不同作物CPSs基因互补拟南ML intermediate芥CPS突变体材料,分别分析其对DPC的敏感性,研究不同作物CPSs对DPC的调控作用;利用CRISPR/Cas9编辑技术及农杆菌介导技术构建转基因植株并分析其对DPC的敏感性。【结果与分析】比较分析了DPC对玉米和棉花株高调控,明确了DPC可显著调节了棉花植株生长,但对玉米植株生长影响较小。体外纯化不同作物CPSs蛋白并分析DPC对其抑制机制,发现DPC降低了CPS酶Kcat、Km,提高了CPS酶的Ksi,明确了DPC可通过别构作用抑制CPS酶活性。同时,DPC显著抑制了棉花和拟南芥CPS酶活性,但对玉米CPS酶活性抑制较小。将棉花GhCPS和玉米Zm CPS1分别回补到拟南芥CPS突变体ga1-1和ga1-5中,发现GhCPS回补株系对DPC敏感,而ZmCPS1回补株系对DPC不敏感,明确不同作物CPSs蛋白差异是导致DPC对不同作物调控存在敏感性的主要原因。利用CRISPR/Cas9编辑技术构建了玉米ZmCPS1的缺失突变体zmcps1,并将Gh CPS回补到zmcps1,获得的转基因玉米株系对DPC的敏感性显著提高。【结论】研究揭示了不同作物对DPC敏感性差异Bafilomycin A1化学结构机制,利用CRISPR/Cas9现代基因编辑技术改良DPC靶标基因CPS,改变了玉米对DPC的敏感性,为”轻简”作物创建提供新的思路,进一步推动常规作物栽培与现代生物技术的有效融合。(部分研究结果已在NATURE PLANTS发表)