獨腳金內(nèi)酯與激素互作調(diào)控根系生長的研究進(jìn)展

沈月 陶寶杰 華夏 呂冰 劉立軍 陳云

（1. 江蘇省作物遺傳生理重點實驗室，揚州 225009；2. 揚州大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，揚州 225009）

根系作為植物的重要器官，不僅能固定植株，還具有從土壤中吸收、貯藏與運輸水分和養(yǎng)分，以及合成多種有機(jī)化合物等功能。植物根系生長發(fā)育（包括主根的伸長、側(cè)根的發(fā)生、不定根的形成等）受到多種植物激素、外界環(huán)境信號和遺傳物質(zhì)的調(diào)控。植物激素是植物自身微量合成且能調(diào)節(jié)其生理過程的有機(jī)化合物的總稱，主要包括生長素（indole-3-acetic acid，IAA）、細(xì)胞分裂素（cytokinin，CK）、赤霉素（gibberellin，GA）、脫落酸（abscisic acid，ABA）和乙烯（ethylene，ETH）。獨腳金內(nèi)酯（strigolactone，SL）是一種在植物根部合成的新型植物激素，調(diào)控植物的生長發(fā)育。雖然激素調(diào)控植物根系生長研究較為廣泛，但在激素調(diào)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)途徑中，獨腳金內(nèi)酯的作用尚不明確。本文闡述了獨腳金內(nèi)酯的結(jié)構(gòu)、生物合成過程及功能，聚焦獨腳金內(nèi)酯在植物激素互作調(diào)控根系生長中的作用，旨為獨腳金內(nèi)酯調(diào)控植物根系生長的深入研究提供參考。

1 獨腳金內(nèi)酯

1.1 獨腳金內(nèi)酯的發(fā)現(xiàn)

Cook等［1］最先從獨腳金的非寄主植物棉花的根際分泌物分離得到獨腳金醇。1998年，Yokota等［2］從小列當(dāng)四葉草中提取列當(dāng)醇，并確定列當(dāng)醇與獨腳金醇互為異構(gòu)體。獨腳金內(nèi)酯可以誘導(dǎo)獨腳金屬和列當(dāng)屬種子的萌發(fā)，其次，還可以誘發(fā)叢枝菌根真菌的菌絲分枝，促進(jìn)其與植物建立良好的共生關(guān)系［3］。2008年，Gomez-Roldan等［4］和Umehara等［5］同時發(fā)現(xiàn)獨腳金內(nèi)酯與生長素和細(xì)胞分裂素協(xié)同調(diào)控植物莖分枝，因而將其確定為調(diào)控植物分枝的新型植物激素。近年來，獨腳金內(nèi)酯的生物學(xué)功能成為植物學(xué)界研究的重要方向。

1.2 獨腳金內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)

獨腳金內(nèi)酯是一類萜類小分子化合物。天然SL包含1個三環(huán)內(nèi)酯（ABC環(huán)）和1個由烯醇醚鍵連接的單環(huán)內(nèi)酯（D環(huán)）［6］。不同形式的天然SL的區(qū)別主要是ABC環(huán)上取代基的種類和位置不同，但D環(huán)高度保守［7］。根據(jù)ABC環(huán)是否完整，SL分為典型和非典型兩類（圖1）［8-9］。典型SL具有完整的ABC環(huán)，根據(jù)C環(huán)立體構(gòu)型差異可劃分為兩類：具有β取向的獨腳金醇類和具有α取向的列當(dāng)醇類［10-11］，進(jìn)一步修飾則可產(chǎn)生多種典型SL。非典型SL的B環(huán)和C環(huán)則是未閉合狀態(tài)，目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的非典型SL如圖1所示。

圖1 獨腳金內(nèi)酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structures of strigolactone

1.3 獨腳金內(nèi)酯的合成

獨腳金內(nèi)酯的合成包括體內(nèi)生物合成及體外人工合成。SL體內(nèi)合成的主要部位是植物根部，合成前體是類胡蘿卜素［12］。SL合成途徑主要包括5個酶，分別是類胡蘿卜素異構(gòu)酶（DWARF27，D27）、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7（carotenoid cleavage dioxygenase 7，CCD7）、CCD8、細(xì)胞色素P450單加氧酶（cytochrome P450 monooxygenase，P450）和側(cè)分枝氧化還原酶（lateral branching oxidoreductase，LBO），以及一個關(guān)鍵的中間產(chǎn)物——己內(nèi)酯（carlactone，CL）。在水稻中，玉米黃質(zhì)經(jīng)D27、CCD7、CCD8作用產(chǎn)生的3-羥基-己內(nèi)酯（3-hydroxy-carlactone，3-OH-CL）是CL形成的新途徑［13］。CL在不同物種中經(jīng)不同酶的作用生成己內(nèi)酯酸（carlactonoic acid，CLA），進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌问降莫毮_金內(nèi)酯（圖2）［14-18］。在獨腳金內(nèi)酯體內(nèi)生物合成過程中，尚有部分合成步驟未徹底搞清楚，如己內(nèi)酯酸轉(zhuǎn)變?yōu)榧谆簝?nèi)酯酸，最終生成獨腳金內(nèi)酯，參與此過程的酶未知。

圖2 獨腳金內(nèi)酯的生物合成通路Fig.2 Biosynthesis pathway of strigolactone

目前，已經(jīng)分離的天然獨腳金內(nèi)酯有36種，但由于微生物降解及C環(huán)和D環(huán)之間的烯醇醚鍵易斷裂，造成其在土壤中的穩(wěn)定性較差，很難獲得［19］。因此，體外人工合成是獲得獨腳金內(nèi)酯類似物的重要方式。Bromhead等［20］以茚為底物，經(jīng)臭氧化、witting反應(yīng)及加成反應(yīng)合成了獨腳金內(nèi)酯類似物GR24。

1.4 獨腳金內(nèi)酯的生物學(xué)功能

獨腳金內(nèi)酯可以促進(jìn)獨腳金和列當(dāng)?shù)雀纳s草種子的萌發(fā)［1］。進(jìn)一步研究表明，SL與其他激素存在協(xié)同作用［4-5］，是促進(jìn)高等植物根系分枝及與真菌產(chǎn)生共生關(guān)系［3］的關(guān)鍵激素。獨腳金內(nèi)酯能夠調(diào)控植物的整體形態(tài)結(jié)構(gòu)［4-5］，包括參與擬南芥、水稻、豌豆、矮牽牛等植物根系的發(fā)育過程；促進(jìn)葉片衰老，調(diào)節(jié)植物次生生長、光形態(tài)建成；參與生物與非生物脅迫響應(yīng)等（表1）。SL主要在根中合成，莖、芽等組織中合成量極低，根系合成的SL通過短距離轉(zhuǎn)運到土壤，促進(jìn)菌根形成，增強(qiáng)根系養(yǎng)分吸收能力。因此，研究獨腳金內(nèi)酯有助于調(diào)控根部構(gòu)型、改善營養(yǎng)吸收狀況、促進(jìn)植物生長。

表1 獨腳金內(nèi)酯的功能及其生理或分子反應(yīng)Table 1 Functions and physiological/molecular responses of strigolactone

2 獨腳金內(nèi)酯與生長素互作調(diào)控植物根系

獨腳金內(nèi)酯與生長素互作，調(diào)節(jié)根系對生長素的敏感性以及根組織中的生長素含量，進(jìn)而影響根系發(fā)育［40，54-55］。將受IAA抑制主根伸長的番茄幼苗在GR24中培養(yǎng)時，其主根長度顯著增加，表明GR24可以調(diào)節(jié)根系對生長素的敏感性，削弱IAA對主根伸長的抑制效應(yīng)［41］。與野生型相比，擬南芥獨腳金內(nèi)酯合成突變體max1和max4以及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體max2的主根長度縮短。獨腳金內(nèi)酯處理可以增加野生型、max1和max4的分生區(qū)皮層細(xì)胞數(shù)目而促進(jìn)主根伸長，max2的主根長度無顯著差異。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，野生型根尖原形成層中PIN1、PIN3和PIN7融合的綠色熒光蛋白密度分別下調(diào)了38%、50%和73%［27］。因此，獨腳金內(nèi)酯抑制生長素轉(zhuǎn)運，增加分生區(qū)和過渡區(qū)大小，促進(jìn)主根伸長。

側(cè)根生長對獨腳金內(nèi)酯的響應(yīng)與主根相反。經(jīng)GR24處理，降低側(cè)根原基中生長素的含量，抑制野生型和max4的側(cè)根生長。野生型中，PIN1的表達(dá)顯著下調(diào)。Ruyter-Spira等［27］將側(cè)根原基的發(fā)育劃分為7個時期（I-VII）。max4中，處于V期的側(cè)根原基中生長素含量顯著降低［27，32-33］，表明獨腳金內(nèi)酯通過抑制生長素外流，調(diào)控根組織中生長素含量，抑制側(cè)根原基的發(fā)生，從而抑制側(cè)根的發(fā)育。

GR24降低了番茄幼苗根毛的長度和數(shù)量。施用IAA或萘乙酸后，根毛生長不能恢復(fù)至正常水平。施用生長素外流抑制劑萘氨甲酰苯甲酸（naphthylphthalamic acid，NPA），可以恢復(fù)幼苗根毛的長度和數(shù)量，表明獨腳金內(nèi)酯可以促進(jìn)生長素外流［41］。但GR24促進(jìn)擬南芥根毛伸長［31］。在低磷條件下，IAA處理增加了max4-1、max2-1的根毛密度［40］。經(jīng)GR24處理后，生長素受體突變體tir1-1根毛的長度顯著低于野生型，表明當(dāng)缺乏生長素時，根毛對獨腳金內(nèi)酯的敏感性降低，獨腳金內(nèi)酯通過誘導(dǎo)生長素受體TIR1表達(dá)正調(diào)控根毛的伸長過程［39］。

綜上所述，獨腳金內(nèi)酯通過調(diào)節(jié)主根和側(cè)根生長素的含量、根毛中生長素轉(zhuǎn)運和TIR1表達(dá)來調(diào)控其發(fā)育過程（圖3）。

3 獨腳金內(nèi)酯與細(xì)胞分裂素互作調(diào)控植物根系

獨腳金內(nèi)酯是側(cè)根形成的負(fù)調(diào)控因子［27，31］。與野生型相比，擬南芥SL合成突變體max3和max4及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體max2均表現(xiàn)側(cè)根密度增加［31］。不同的擬南芥細(xì)胞分裂素受體（Arabidopsishistidine kinase，AHK）突變體對GR24響應(yīng)不同。與野生型 相 比，突 變 體ahk2、ahk4和ahk2；ahk4的 側(cè)根密度均顯著降低；突變體ahk3、ahk2；ahk3和ahk3；ahk4差異不顯著［34］。表明細(xì)胞分裂素受體中，AHK3的缺失削弱了GR24對側(cè)根密度的負(fù)調(diào)控作用。

ARR1和ARR12是AHK3的下游正調(diào)控因子，二者協(xié)同參與AHK3調(diào)節(jié)的根系伸長過程［56］。經(jīng)GR24處理后，野生型和單突變體arr1、arr12側(cè)根密度均顯著降低，雙突變體arr1；arr12側(cè)根密度無顯著差異［34］。AHK3-ARR1/ARR12-SHY2共同調(diào)節(jié)GR24抑制生長素轉(zhuǎn)運，進(jìn)而影響側(cè)根發(fā)育［34，57］。

與野生型相比，單突變體max2的主根較短，雙突變體ahk2；ahk3的主根較長。三突變體ahk2；ahk3；max2的主根比雙突變體長，表明細(xì)胞分裂素和獨腳金內(nèi)酯在調(diào)節(jié)主根發(fā)育過程中存在相互作用［58］。

總之，獨腳金內(nèi)酯與細(xì)胞分裂素互作調(diào)控主根發(fā)育過程，與生長素互作抑制的側(cè)根生長過程依賴于細(xì)胞分裂素受體AHK3（圖3）。

4 獨腳金內(nèi)酯與乙烯互作調(diào)控植物根系

根毛伸長受SL和乙烯正調(diào)控［31，59-60］。Kapulnik等［31］發(fā)現(xiàn)，經(jīng)GR24處理后，野生型、乙烯信號突變體ein2-1根毛的長度均顯著增加，但ein2-1根毛的長度比野生型短，max2-1、etr1-1根毛的長度無顯著變化，表明乙烯和獨腳金內(nèi)酯共同正調(diào)控根毛的伸長。施用乙烯合成抑制劑氨氧乙基乙烯基甘氨酸（aminoethoxyvinylglycine，AVG），抑制根毛伸長，同時施用GR24和AVG，根毛長度未發(fā)生顯著變化［31］。經(jīng)GR24處理后，乙烯合成過程中的關(guān)鍵基因acs的表達(dá)量上調(diào)，乙烯產(chǎn)生增加［39］。因此，乙烯和獨腳金內(nèi)酯協(xié)同促進(jìn)根毛伸長（圖3）。

圖3 獨腳金內(nèi)酯、生長素、細(xì)胞分裂素和乙烯對根系生長的協(xié)同調(diào)節(jié)Fig.3 Synergetic regulation of the root growth by strigolactone，auxin，cytokinin and ethylene

5 展望

獨腳金內(nèi)酯是由類胡蘿卜素衍生的一類萜類小分子化合物，調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的多個過程。本文聚焦于獨腳金內(nèi)酯與生長素、細(xì)胞分裂素和乙烯互作調(diào)控植物根系生長，總結(jié)了獨腳金內(nèi)酯在激素調(diào)節(jié)根系的網(wǎng)絡(luò)途徑中的作用。關(guān)于對獨腳金內(nèi)酯的研究，未來應(yīng)加強(qiáng)以下幾個方面：

5.1 加強(qiáng)獨腳金內(nèi)酯生物合成過程的研究

從類胡蘿卜素到獨腳金內(nèi)酯過程復(fù)雜，并非通過幾個酶催化就能完成此過程，完整的合成過程需進(jìn)一步研究，關(guān)鍵步驟不能突破，加上天然的獨腳金內(nèi)酯化合物很難獲得，很大程度阻止了獨腳金內(nèi)酯的應(yīng)用。因此，完整的獨腳金內(nèi)酯生物合成途徑還需深入探索，為未來其在實際生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

5.2 完善調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的獨腳金內(nèi)酯的生物活性形式

SL調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育（包括種子萌發(fā)、枝條分枝、葉片衰老、根系發(fā)育等），但作用于不同過程的SL的生物活性形式仍然不確定［57］。通過進(jìn)一步對SL前體進(jìn)行生化和遺傳分析，鑒定出SL生物合成過程中所包含的新的酶，將是全面了解SL作用機(jī)制的關(guān)鍵。

5.3 完善激素信號網(wǎng)絡(luò)途徑及其調(diào)控植物根系的機(jī)制

SL參與調(diào)控植物根系的生長發(fā)育，通過外源施用SL來調(diào)控作物根部構(gòu)型和營養(yǎng)吸收狀況，提高作物對水分及養(yǎng)分的吸收效率，對促進(jìn)植物生長意義重大。研究發(fā)現(xiàn)，SL、IAA、ETH和CK等激素間很可能存在一個動態(tài)平衡，它們相互協(xié)同來調(diào)控植物的根系構(gòu)型，此過程可能涉及一個極其復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的深入解析可能是未來研究SL的一個重要方向［61］。

此外，SL與ABA的研究多集中于兩者協(xié)同調(diào)節(jié)干旱或滲透脅迫下植物葉片氣孔的閉合，但兩者在調(diào)控根系發(fā)育過程中是否存在互作有待于解決。雖然已經(jīng)假設(shè)GA處理對水稻根系中SL的生物合成、基因表達(dá)和分泌物有害［62］，但這只發(fā)生在GA處理24 h后，而不是對GA處理的直接反應(yīng)［62-63］。因此，在植物根系中SL與GA是否存在直接相互作用也有待于研究。

總之，獨腳金內(nèi)酯作為一種新型植物激素，其為植物生物學(xué)領(lǐng)域開拓了一片新的研究領(lǐng)域，但相關(guān)的研究啟動較晚而又意義重大。因此，其中存在的科學(xué)問題有待于不同領(lǐng)域的科學(xué)家深入探討。