獨腳金內酯生物學功能研究進展

蘇維娜，臧家富

（1．山東師范大學，山東 濟南 250014；2．莒南縣農業農村局，山東 莒南 276600）

獨腳金內酯（SL）最早是從獨腳金的非寄主植物棉花的根際分泌物中分離得到，到目前為止，已經從不同植物中發現大約25種天然的獨腳金內酯。它們在化學結構上都包含1個三環內酯（ABC-ring）和1個由烯醇醚鍵連接在一起的單環內酯（D-ring）。SL分子結構的多樣性主要源于ABC-ring上不同形式或位置的基團復雜性，天然獨腳金內酯的化學合成受到限制［1］。GR24是一種廣泛使用的獨腳金內酯人工合成類似物，具有與內源獨腳金內酯相似的生物活性［2］。

獨腳金內酯影響植物側枝生成、調節根構型，控制中胚軸伸長、增加根毛長度和抑制不定根等［3-7］。此外，還介導植物應對逆境脅迫的抗性（包括干旱、鹽度、溫度、營養缺乏和氧化脅迫），光照強度也會誘導獨腳金內酯的積累［8-10］。在調節植物生長發育和耐逆性過程中獨腳金內酯并不是孤立地起作用，而是與脫落酸（ABA）、細胞分裂素（CTK）和生長素（IAA）等多種激素相互作用。本文在概述獨腳金內酯生物合成及其調控作用的基礎上，進一步拓展和闡明與SL相關的植物激素信號間的互作網絡，旨在更好地理解SL在植物非生物脅迫響應和激素交互中的功能。

1 獨腳金內酯的生物合成與信號轉導

獨腳金內酯在植物自身發育和對環境的適應過程中發揮著不可或缺的作用，成為提高作物生產力和恢復力的潛在工具。SL生物合成和信號轉導相關基因的研究是重要農藝性狀遺傳改良的關鍵。雖然SL的生物合成途徑尚未完全闡明，但涉及的大多數酶已被確定。SL是由β-胡蘿卜素衍生而來，通過β-胡蘿卜素異構酶（D27）和兩個類胡蘿卜素裂解雙加氧酶（CCD7和CCD8）基因使其轉化為SL的前體CL（carlactonoic）［11］。CL由MAX1（more axillary growth 1）編碼的細胞色素P450單加氧酶CYP711A氧化生成CLA（carlactonoic acid），CLA再經進一步的反應催化生成SL，但是目前對SL合成過程中CLA的下游途徑仍知之甚少［12-14］。

SL主要在植物根部合成，由根向上運輸到莖從而抑制分枝。在矮牽牛中，ABC轉運蛋白PDR1參與調控細胞間SL的轉移，影響SL的向頂運輸和滲出土壤［3］。α/β水解酶D14含有由3個保守氨基酸（Ser-His-Asp）組成的催化三聯體，可以特異性識別和結合SL［15，16］。受體D14水解SL發生構象變化進而與D3（在擬南芥和其它物種中為MAX2）和D53（在擬南芥中同源的SMXL6、SMXL7、SMXL8）形成SCF蛋白復合體，新形成的復合物隨后介導轉錄抑制因子D53的泛素依賴性降解，并轉導SL信號［17，18］。IPA1（ideal plant architecture 1）作為水稻D53下游的靶標基因，能直接調控D53基因的表達，而D53也會反過來抑制IPA1的轉錄水平，由此產生負反饋［19］。

2 獨腳金內酯在植物抗逆境脅迫中的功能

2．1 干旱和鹽分脅迫下的功能

氣候變化導致干旱和高鹽度加劇，對一些地區的作物產量產生負面影響。通過對擬南芥SL生物合成基因啟動子序列的分析，鑒定出響應干旱和鹽脅迫的反轉錄因子特異性結合的順式作用序列［20］。SL生物合成或信號轉導突變體對干旱和鹽等滲透脅迫異常敏感，而GR24則可以誘導氣孔關閉緩解鹽脅迫對水稻幼苗的不利影響［21-23］。

AM真菌能與植物形成互惠共生體，增強對不同環境因素的適應性。NaCl處理誘導AM菌根化幼苗中的SL生物合成相關基因（CCD7、CCD8、MAX2）的表達［24］。鹽脅迫下萵苣根際AM真菌豐度增加，提高植株抵抗水分脅迫的能力，SL在共生后的耐鹽中起關鍵信號作用［25］。在水稻SL生物合成基因D17和D10突變體中AM定植水平則低于野生型植株，這表明植物可能通過增加SL產量，促進植物和土壤微生物的共生以抵御不斷變化的環境條件。

2．2 營養脅迫下的功能

SL通過優化植物生長和觸發資源分配來應對土壤營養缺乏。低磷、低氮和低硫等多種營養脅迫均可上調SL相關基因的表達，其中磷脅迫對促進SL的合成分泌最為顯著［26，27］。SL能促進磷在營養匱乏時的遷移和吸收，番茄SL生物合成基因（D27、CCD8）參與調控磷饑餓應答反應，低磷特異響應基因如三聯體IPS1-miR399-PHO2和高親和力的磷轉運體LePT2基因表達也被激活［28］。在營養缺乏條件下植物的許多特征與SL上調相關。在低磷或低氮條件下，SL可誘導葉片衰老，減少分枝，此外SL通過改變根毛密度和長度調控根系構型，使根在土壤中的分布更有利于有效養分的利用［29，30］。

SL促進豆科植物根系根瘤菌的形成，在固氮方面發揮重要作用。施用GR24可增加苜蓿（Medicago sativa）、豌豆和大豆的結瘤率［31-34］。在粳稻、豌豆和大豆中SL生物合成突變體的結瘤數目比野生型少［35，36］。SL的應用能增強營養獲取和豆類產量。

2．3 氧化脅迫下的功能

多種非生物脅迫會誘導植物產生大量的ROS，包括過氧化氫（H2O2）、羥基自由基（·OH-）和超氧陰離子（O2·-）等，引發DNA的氧化損傷，使細胞代謝功能紊亂甚至死亡。葉面噴施獨腳金內酯類似物GR24，能通過提高抗氧化酶活性有效緩解鹽和弱光逆境對鼠尾草和番茄幼苗的氧化損傷［37，38］。土壤營養元素的缺乏會刺激植株合成活性更強的SL，同時伴隨著ROS生成［39，40］。SL調節植物結構的平衡，以及ROS的代謝，有助于植物在變化的環境條件下進行適當的馴化。此外，ROS還可以作為第二信使分子介導SL的信號轉導過程，由一系列酶相協調進而上調防御基因的表達［41］。例如，SL可以通過NADPH氧化酶激活信號分子H2O2的信號級聯途徑來緩解田菁幼苗的鹽脅迫［42］。

3 獨腳金內酯與其它植物激素的互作

3．1 獨腳金內酯與脫落酸的相互作用

獨腳金內酯（SL）通過與脫落酸（ABA）直接或間接地相互協同作用調控植物對非生物逆境的響應［43］。暴露在非生物脅迫下的菌根植物具有更高的SL和ABA水平［44］。番茄ABA突變體中SL生物合成基因的表達量和SL含量顯著降低［45］。施用GR24降低荷花中LjNCED2的表達進而抑制滲透脅迫中ABA的積累［46］。SL和ABA合成途徑密切相關，SL表達水平或敏感性變化影響ABA濃度和響應，并對植物的代謝產生影響。利用缺乏ABA的番茄突變體研究表明，SL通過一種未知的機制調節ABA的生物合成［47］。此外，SL與ABA互作還通過控制ABA誘導的氣孔敏感性得到證實［48］。擬南芥SL缺陷突變體在干旱脅迫下氣孔孔徑增大，存活率降低，這可能是由于氣孔關閉效率低增加蒸騰失水所致［49，50］。通常情況下，植物對水分虧缺反應是通過誘導ABA介導的氣孔關閉來降低蒸騰作用。SL對氣孔關閉的影響取決于ABA的合成、轉運和敏感性［51］。SL與ABA的正相關是傳導滲透脅迫信號調節氣孔模式的關鍵決定因素。

ABA水平在非生物脅迫下快速增加，但在不同物種中SL含量可能存在差異。ABA正調控田菁葉片SL水平和信號通路中基因表達，提高鹽脅迫抗性［52］。同樣，在水稻和小麥根提取物中SL生物合成基因的轉錄水平上調，促進植物對缺水環境的適應性［53，54］。然而在干旱條件下卻導致番茄根系中SL的生物合成受到抑制［55］。因此通過上調SL信號來選育具有抗旱潛力的作物品種尚待進一步探索。

3．2 獨腳金內酯與細胞分裂素的相互作用

細胞分裂素（CTK）和SL之間的相互作用似乎隨植物生理過程而變化。它們對不定根形成表現出各自獨立的功能［56］，對芽激活和芽分支則是相互拮抗［57-59］。在擬南芥和豌豆中，細胞分裂素和SL都作用于芽特異性基因BRC1（Branched 1），該基因編碼抑制芽生長的轉錄因子，是兩種激素的共同靶點［60，61］。BRC1基因表達可通過GR24增強但卻受細胞分裂素的抑制。同樣地CTK和SL的拮抗作用表現在植物對干旱的適應。利用擬南芥的CTK缺失和信號突變體提供的證據表明，細胞分裂素在植物干旱適應中起負調控作用［62，63］。相反，SL通過改變氣孔密度和氣孔導度在抗旱相關生理性狀方面發揮著積極的調節功能［21］。植物中不同的激素之間存在著復雜的內穩態調節。

3．3 獨腳金內酯與生長素的相互作用

生長素（IAA）是植物生長發育的重要信號分子。生長素和SL在一個獨特的反饋回路中相互作用［64］。生長素調節SL的生物合成，參與SL介導的各種發育過程［65］。在調控枝條分枝過程中，SL干擾生長素極性運輸和生長素渠化，阻礙了腋芽的發育［5，66］。

在根發育中，SL通過調節生長素敏感性來控制側根的生長，生長素極性轉運主要依賴于生長素外排蛋白PIN［67，68］。PIN蛋白在細胞中的不對稱分布決定細胞間生長素流方向，SL通過降低PIN蛋白水平擾亂生長素的極性運輸，抑制側根的形成［69］。同樣，SL通過調節PIN活性抑制生長素外流，導致生長素在初生根分生組織細胞內積累，促進細胞分裂、分生組織區細胞體積的增大以及主根伸長［70］。在根毛發育調控中，SL和生長素之間也發生類似的互作，缺磷脅迫下獨腳金內酯作用于生長素的下游，誘導表皮細胞內生長素水平增加，來調控水稻根毛的生長［7］。

4 展望

近年來，獨腳金內酯（SL）激素功能的發現為更詳細地探討激素對植物發育的調控提供了契機與可能。表型可塑性在適應變化或極端的非生物環境中具有潛在的重要作用。通過對SL信號通路的修飾，可以構建出最優的作物株型，這是提高作物養分吸收和農作物產量的重要途徑。分子技術的發展使作物的遺傳改良變得更加可行，SL有望成為改善多種農藝性狀和可持續農業的激素物質。與其它植物激素一樣，在不適宜的環境條件下，SL的生物合成和活性會受到多個激素的串擾調控。根作為植物和土壤的界面，比植物地上部更容易受到各種非生物脅迫，根對周圍環境的感知影響著植物形態的建成。很明顯SL將環境信息轉化為根系的生長線索，這些信號成分如何在分子水平上根據環境因素誘導SL生物合成和信號轉導的機制尚不清楚。我們還需要對此進行更多的研究，并進行反向遺傳學和突變體互補，以進一步了解信號網絡。同時需要更多試驗和理論研究來仔細分析SL和其它植物激素對整個植物組織水平的不同貢獻，優化植物激素的內源水平，以最大限度地發揮多種激素之間的脅迫響應機制。