赤霉素是一种广泛存在的植物激素,在植物生长发育的各种重要生理过程中发挥着关键的调控作用。然而在不同的物种中,赤霉素代谢通路的每个节点编码酶的基因家族所含有的基因拷贝数存在着显著的差异。以往普遍的观点认为,基因家族中多个成员编码同一种酶,这种冗余可以为其中某一个拷贝发生功能缺失突变时提供缓冲作用。类似观点预期,同一基因家族中任一拷贝被敲除后还会存在其他的拷贝继续工作,使得突变体植株可以正常生长发育。为了验证相关假说,本研究利用CRISPR/Cas9技术构建了水稻中赤霉素代谢通路所有13个基因的功能缺失突变体,在相同的条件下观察记录其敲除前后的表型变化。结果表明,在赤霉素代谢通路中的四个关键酶促反应节点处,存在至少一个必需基因,该基因的功能缺失会导致该节点无法正常发挥作用,进而导致植株死亡或不育,说明水稻赤霉素代谢通路可能缺乏之前认为的多条备用路径。除了致死性,本研究在大部分获得的突变体中观察到了明显的株高以及结实率的变化,与之前的研究结果一致,表明每个基因家族在赤霉素合成或降解的功能上的保守性。除此而外,对K0家族的深入研究结果显示,很多成员存在明显的亚功能化(OsK01,OsK02,OsK05)与新功能化(OsK03,OsK04),说明同一家族的不同成员之间已经存在着一定程度的分化。有趣的是,在绿色革命中著名的天然突变体sd1都保持着正常的结实率,而我们在SD1位点进行CRISPR/Cas9敲除的结果都表现为不育或结实率降低,说明不同的遗传背景与突变方式产生的不同突变体表型中还隐藏着尚待挖掘的机制。综上,本研究不仅可以加深对赤霉素代谢通路的了解,提供更多具有改造潜力的赤霉素相关位点,而且为研究植物中关键基因家族的进化提供了新的视角。