獨腳金內酯與激素互作調控根系生長的研究進展

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. 揚州大學生物科學與技術學院，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分，以及合成多種有機化合物等功能。植物根系生長發育（包括主根的伸長、側根的發生、不定根的形成等）受到多種植物激素、外界環境信號和遺傳物質的調控。植物激素是植物自身微量合成且能調節其生理過程的有機化合物的總稱，主要包括生長素（indole-3-acetic acid，IAA）、細胞分裂素（cytokinin，CK）、赤霉素（gibberellin，GA）、脫落酸（abscisic acid，ABA）和乙烯（ethylene，ETH）。獨腳金內酯（strigolactone，SL）是一種在植物根部合成的新型植物激素，調控植物的生長發育。雖然激素調控植物根系生長研究較為廣泛，但在激素調節的網絡途徑中，獨腳金內酯的作用尚不明確。本文闡述了獨腳金內酯的結構、生物合成過程及功能，聚焦獨腳金內酯在植物激素互作調控根系生長中的作用，旨為獨腳金內酯調控植物根系生長的深入研究提供參考。

1 獨腳金內酯

1.1 獨腳金內酯的發現

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］從小列當四葉草中提取列當醇，并確定列當醇與獨腳金醇互為異構體。獨腳金內酯可以誘導獨腳金屬和列當屬種子的萌發，其次，還可以誘發叢枝菌根真菌的菌絲分枝，促進其與植物建立良好的共生關系［3］。2008年，Gomez-Roldan等［4］和Umehara等［5］同時發現獨腳金內酯與生長素和細胞分裂素協同調控植物莖分枝，因而將其確定為調控植物分枝的新型植物激素。近年來，獨腳金內酯的生物學功能成為植物學界研究的重要方向。

1.2 獨腳金內酯的化學結構

獨腳金內酯是一類萜類小分子化合物。天然SL包含1個三環內酯（ABC環）和1個由烯醇醚鍵連接的單環內酯（D環）［6］。不同形式的天然SL的區別主要是ABC環上取代基的種類和位置不同，但D環高度保守［7］。根據ABC環是否完整，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，根據C環立體構型差異可劃分為兩類：具有β取向的獨腳金醇類和具有α取向的列當醇類［10-11］，進一步修飾則可產生多種典型SL。非典型SL的B環和C環則是未閉合狀態，目前，已經發現的非典型SL如圖1所示。

圖1 獨腳金內酯的化學結構Fig. 1 Structures of strigolactone

1.3 獨腳金內酯的合成

獨腳金內酯的合成包括體內生物合成及體外人工合成。SL體內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酶（DWARF27，D27）、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7（carotenoid cleavage dioxygenase 7，CCD7）、CCD8、細胞色素P450單加氧酶（cytochrome P450 monooxygenase，P450）和側分枝氧化還原酶（lateral branching oxidoreductase，LBO），以及一個關鍵的中間產物——己內酯（carlactone，CL）。在水稻中，玉米黃質經D27、CCD7、CCD8作用產生的3-羥基-己內酯（3-hydroxy-carlactone，3-OH-CL）是CL形成的新途徑［13］。CL在不同物種中經不同酶的作用生成己內酯酸（carlactonoic acid，CLA），進而轉變為不同形式的獨腳金內酯（圖2）［14-18］。在獨腳金內酯體內生物合成過程中，尚有部分合成步驟未徹底搞清楚，如己內酯酸轉變為甲基己內酯酸，最終生成獨腳金內酯，參與此過程的酶未知。

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

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

1.4 獨腳金內酯的生物學功能

獨腳金內酯可以促進獨腳金和列當等根寄生雜草種子的萌發［1］。進一步研究表明，SL與其他激素存在協同作用［4-5］，是促進高等植物根系分枝及與真菌產生共生關系［3］的關鍵激素。獨腳金內酯能夠調控植物的整體形態結構［4-5］，包括參與擬南芥、水稻、豌豆、矮牽牛等植物根系的發育過程；促進葉片衰老，調節植物次生生長、光形態建成；參與生物與非生物脅迫響應等（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通過短距離轉運到土壤，促進菌根形成，增強根系養分吸收能力。因此，研究獨腳金內酯有助于調控根部構型、改善營養吸收狀況、促進植物生長。

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

2 獨腳金內酯與生長素互作調控植物根系

獨腳金內酯與生長素互作，調節根系對生長素的敏感性以及根組織中的生長素含量，進而影響根系發育［40，54-55］。將受IAA抑制主根伸長的番茄幼苗在GR24中培養時，其主根長度顯著增加，表明GR24可以調節根系對生長素的敏感性，削弱IAA對主根伸長的抑制效應［41］。與野生型相比，擬南芥獨腳金內酯合成突變體max1和max4以及信號轉導突變體max2的主根長度縮短。獨腳金內酯處理可以增加野生型、max1和max4的分生區皮層細胞數目而促進主根伸長，max2的主根長度無顯著差異。進一步研究發現，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了38%、50%和73%［27］。因此，獨腳金內酯抑制生長素轉運，增加分生區和過渡區大小，促進主根伸長。

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

GR24降低了番茄幼苗根毛的長度和數量。施用IAA或萘乙酸后，根毛生長不能恢復至正常水平。施用生長素外流抑制劑萘氨甲酰苯甲酸（naphthylphthalamic acid，NPA），可以恢復幼苗根毛的長度和數量，表明獨腳金內酯可以促進生長素外流［41］。但GR24促進擬南芥根毛伸長［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，表明當缺乏生長素時，根毛對獨腳金內酯的敏感性降低，獨腳金內酯通過誘導生長素受體TIR1表達正調控根毛的伸長過程［39］。

綜上所述，獨腳金內酯通過調節主根和側根生長素的含量、根毛中生長素轉運和TIR1表達來調控其發育過程（圖3）。

3 獨腳金內酯與細胞分裂素互作調控植物根系

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

ARR1和ARR12是AHK3的下游正調控因子，二者協同參與AHK3調節的根系伸長過程［56］。經GR24處理后，野生型和單突變體arr1、arr12側根密度均顯著降低，雙突變體arr1；arr12側根密度無顯著差異［34］。AHK3-ARR1/ARR12-SHY2共同調節GR24抑制生長素轉運，進而影響側根發育［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，表明細胞分裂素和獨腳金內酯在調節主根發育過程中存在相互作用［58］。

總之，獨腳金內酯與細胞分裂素互作調控主根發育過程，與生長素互作抑制的側根生長過程依賴于細胞分裂素受體AHK3（圖3）。

4 獨腳金內酯與乙烯互作調控植物根系

根毛伸長受SL和乙烯正調控［31，59-60］。Kapulnik等［31］發現，經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酯共同正調控根毛的伸長。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，根毛長度未發生顯著變化［31］。經GR24處理后，乙烯合成過程中的關鍵基因acs的表達量上調，乙烯產生增加［39］。因此，乙烯和獨腳金內酯協同促進根毛伸長（圖3）。

圖3 獨腳金內酯、生長素、細胞分裂素和乙烯對根系生長的協同調節Fig.3 Synergetic regulation of the root growth by strigolactone，auxin，cytokinin and ethylene

5 展望

獨腳金內酯是由類胡蘿卜素衍生的一類萜類小分子化合物，調節植物生長發育的多個過程。本文聚焦于獨腳金內酯與生長素、細胞分裂素和乙烯互作調控植物根系生長，總結了獨腳金內酯在激素調節根系的網絡途徑中的作用。關于對獨腳金內酯的研究，未來應加強以下幾個方面：

5.1 加強獨腳金內酯生物合成過程的研究

從類胡蘿卜素到獨腳金內酯過程復雜，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一步研究，關鍵步驟不能突破，加上天然的獨腳金內酯化合物很難獲得，很大程度阻止了獨腳金內酯的應用。因此，完整的獨腳金內酯生物合成途徑還需深入探索，為未來其在實際生產中廣泛應用提供科學依據。

5.2 完善調節植物生長發育的獨腳金內酯的生物活性形式

SL調節植物生長發育（包括種子萌發、枝條分枝、葉片衰老、根系發育等），但作用于不同過程的SL的生物活性形式仍然不確定［57］。通過進一步對SL前體進行生化和遺傳分析，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作用機制的關鍵。

5.3 完善激素信號網絡途徑及其調控植物根系的機制

SL參與調控植物根系的生長發育，通過外源施用SL來調控作物根部構型和營養吸收狀況，提高作物對水分及養分的吸收效率，對促進植物生長意義重大。研究發現，SL、IAA、ETH和CK等激素間很可能存在一個動態平衡，它們相互協同來調控植物的根系構型，此過程可能涉及一個極其復雜的網絡系統，對該系統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同調節干旱或滲透脅迫下植物葉片氣孔的閉合，但兩者在調控根系發育過程中是否存在互作有待于解決。雖然已經假設GA處理對水稻根系中SL的生物合成、基因表達和分泌物有害［62］，但這只發生在GA處理24 h后，而不是對GA處理的直接反應［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，獨腳金內酯作為一種新型植物激素，其為植物生物學領域開拓了一片新的研究領域，但相關的研究啟動較晚而又意義重大。因此，其中存在的科學問題有待于不同領域的科學家深入探討。