獨腳金內酯的生物合成及其調控

吳轉娣 胡 鑫 昝逢剛 劉新龍 劉家勇 陳學寬 吳才文

(云南省農業科學院 甘蔗研究所/云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室，云南 開遠 661699)

獨腳金內酯(strigolactones，SLs)是一類在植物根部產生的萜內酯，屬于新型植物激素，可調控植物的整體結構形態[1-2]。已有研究表明SLs抑制植物分枝，塑造根的形態，促進葉片衰老，調節植物的次生長[3]；還與干旱脅迫[4]、耐寒性[5]、耐鹽性[6]、逆境脅迫[7-8]、光形態建成[9]有關。SLs也參與了豆科植物的結瘤[10-12]，對作物產量的形成與品質的保持起著至關重要的作用。不同植物中可能存在多種多樣、平行的SLs生物合成途徑和信號轉導機制[13-15]。獨腳金內酯的功能一直是植物生物學研究的重點，因此，為了解SLs生物合成的最新研究進展，本研究以獨腳金內酯生物合成為關鍵詞，搜索2000—2020年NCBP數據庫的相關文獻資料，對獨腳金內酯生物合成和調控方面的研究成果進行綜述，以期為獨腳金內酯及其相關基因的進一步研究提供依據。

1 獨腳金內酯的結構與化學特性

獨腳金內酯具有不同的結構和不同的三維立體專一性，這是其功能的多樣性和靈活性的重要基礎。獨腳金內酯的核心結構由A～D 4 個環組成(圖1)，包含1 個三環ABC環系統，通過烯醇醚橋接到丁烯內酯D環[16]。丁烯內酯環的立體化學結構是保守的，根據立體化學差異B和C環將SLs劃分為2 大類，獨腳金醇類和列當醇類；進一步的修飾則可產生多種不同的獨腳金內酯；D環結構是由類胡蘿卜素裂解雙加氧酶產生的立體異構體；獨腳金內酯的生物活性依賴于C-D環，而C-D環也是高度保守的[16]。由于連接在A環和B環上的側基不同，會產生相當大的差異[16]。目前已知的所有SLs在碳20 (C-20)位置(R構型)具有相似的立體化學結構[17-18]。獨腳金內酯的人工合成類似物包括GR24、GR5和GR7[19]。

圖1 獨腳金內酯的化學結構[16]Fig.1 Chemical construction of strigolactones[16]

2 SLs的生物合成途徑

SLs屬于萜烯內酯類胡蘿卜素衍生物，已經證明有5 個主要酶參與了SL的生物合成(表1)，分別為異構酶DWARF27(D27)、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7(Carotenoid Cleavage Dioxygenase 7，CCD7)、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶8(Carotenoid Cleavage Dioxygenase 8，CCD8)、細胞色素P450單加氧酶(MORE AXILLARY GROWTH 1，MAX1)和側分枝氧化還原酶(LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE，LBO)[13]。

表1 不同植物中獨腳金內酯生物合成相關的基因[45]Table 1 Genes involved in strigolactone biosynthesis[45]

遺傳分析和酶學的研究表明SLs來源于all-trans-β-carotene途徑(圖2)。SLs生物合成的第1 步是以類胡蘿卜素作為底物，在D27蛋白的催化作用下，完成1 個可逆的異構化反應，將trans-β-carotene異構化成為9-cis-β-carotene，再通過CCD7裂解催化產生9-cis-β-apo-10′-carotenal[18]，接下來CCD8將這個裂解產物轉化為己內酯[18]，己內酯是所有已知SLs的生物合成前體，利用trans-β-carotene產生己內酯的通路是十分保守的[18]，但在不同物種之間從己內酯到SLs的通路有所不同，并由此產生出多種類型的SLs。類胡蘿卜素不僅是SLs的前體，也是其他重要的植物次生代謝物的前體，包括植物激素脫落酸(ABA)。除草劑氟啶草酮(fluridone)和達草滅(norflurazon)是已知的類胡蘿卜素生物合成抑制劑[20]。

圖2 獨腳金內酯生物合成通路的部分示意圖[21]Fig.2 Part of the biosynthesis pathway of strigolactones[21]

在擬南芥中，己內酯由MAX1通過19-hydroxy-carlactone轉化為己內酯酸(carlactonoic acid，CLA)[22]。CLA隨后被1 種未知的甲基轉移酶轉化為甲基化己內酯酸(methyl carlactonoate，MeCLA)。MeCLA在抑制芽分枝方面具有一定的活性，是1 種典型的SLs，但LBO可以進一步將MeCLA轉化為1 種未知的SL類化合物，可能是SL生物合成的最終產物，在擬南芥中具有更高的SL活性[23]。在水稻中，己內酯通過MAX1同源分子Os900(CYP711A2)轉化為己內酯酸，催化己內酯轉化為4-deoxyorobanchol(4DO)，隨后，第二個水稻MAX1同系物Os1400(CYP711A3)將4DO轉化為列當醇(具有SL活性)[24-25]。此外，CL被認為是5-deoxystrigol的前體，可轉化為sorgomol[26]。編碼D27、CCD7、CCD8、MAX1、LBO的基因已通過D27[27-28]、MAX3/HTD1/RMS5/DAD3/CCD7[27,29-31]、MAX4/D10/RMS1/DAD1/CCD8[32-37]、MAX1[38-40]、LBO[13]等基因的研究鑒定獲得。這些基因的突變體表現出分蘗或分枝數量的增加和矮化的表型，并且都可以通過外源SL恢復表型[41-44]。然而，不同基因突變體之間還是存在分蘗表型差異，可能是基因在參與獨腳金內酯生物合成的同時，也參與了其他通路，或者說并不能通過突變1 個基因而中斷獨腳金內酯的合成，因為獨腳金內酯可能存在其他并行的合成通路，SL的生物合成途徑仍有待進一步的確定。

2.1 全反式/9順式β-胡蘿卜素異構酶

水稻D27基因編碼一個含鐵蛋白質，其定位于葉綠體。d27突變體不能產生SL，植物分蘗數增加，并且株高降低，其表型可被外源SL恢復，表明D27是SL生物合成所必需[27]。D27蛋白是一種異構酶，在SL生物合成的第一步將全反式β-胡蘿卜素轉化為9順式β-胡蘿卜素[18]。在擬南芥中DWARF27基因編碼一個全反式/9順式β-胡蘿卜素異構酶，受生長素、脫落酸和磷缺乏誘導表達[46]，其在應對多種植物激素和磷酸鹽缺乏方面發揮了重要作用。在缺磷條件下，水稻根系中大多數SL生物合成基因(D27、D17、D10和OsMAX1s)高表達，并提高了SL的水平。在缺氮條件下，D10和D17的表達水平升高，但D27不受影響[47]。相比之下，在缺硫的條件下，只有D27表達水平提高了，是缺磷時的10倍，導致SL生物合成增加。在SL生物合成基因中，僅D27轉錄增加[48]。叢枝菌根真菌能為宿主提供硫、氮和磷[49-50]。而水稻D27可能在叢枝菌根真菌對硫的有效吸收中起重要作用。在低硫條件下，AtD27在擬南芥根中的表達水平增加，但MAX1和MAX3的表達不增加[51-52]，說明D27能夠響應低硫并被誘導表達。

已有研究表明在缺硫條件下，水稻SL生物合成基因D27表達增強，硫供應降低了其表達。在硫充足和硫缺乏的條件下，D10、D17和OsMAX1的轉錄水平沒有差異，說明硫缺乏時SL水平升高是由于D27的高表達；且d27突變體的分蘗芽數高于野生型，但低于其他d突變體；在缺硫條件下，d27的葉綠素含量低于其他d突變體[12,53]。上述結果表明d27在水稻對硫缺乏的適應中起著重要作用。在水稻中，內源SL水平在氮、磷或硫酸鹽(-N、-P或-S)缺乏時增加，SL突變體表現出葉片關節角增大、矮化、葉片衰老延遲、分枝增強等特征[53]。SL水平響應-N和-P缺乏得到增加，增加的內源SLs可能負調控水稻葉片角度，使葉夾角降低[54]。

2.2 類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7

在擬南芥中，類胡蘿卜素裂解脫氧酶蛋白有9 個成員，有5 個屬于NCEDs分支，在植物激素ABA的生物合成中起著至關重要的作用[55]。CCD7和CCD8的同源系譜屬于系統發育上不同的分支，與非植物的同源系譜相似性大于與植物的同源系譜[37,56]。利用CRISPR/Cas9技術在水稻中定向敲除類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7(CCD7)，發現CCD7控制著SL生物合成的關鍵步驟。SLCCD7反義表達番茄植株的分枝明顯增多，獨腳金內酯的含量明顯降低[31]。ccd7突變體分蘗期顯著增加，且高度降低，應用合成SL模擬GR24可以恢復該突變體的表型。ccd7突變體的根分泌物中SL含量減少了。百脈根LjCCD7基因沉默植株SLs降低了80%，與對照相比，轉基因ljccd7沉默植株由于節間較短而高度降低，分枝和根較多，總生物量增加，結節減少20%，因此認為CCD7與生殖和衰老以及植物根的結節有關[57]。

不同植物中CCD7的時空表達并不相一致。例如：擬南芥CCD7(MAX3)基因的轉錄在根中最高[27-28]；而水稻和番茄CCD7在未成熟的地上部分組織、維管束和果實中表達最高[30-31]。雖然造成這種差異的原因尚不清楚，但可以推測，SL的生物合成酶也參與了其他途徑，因此受到不同的調控。已有研究表明CCD7有助于菌根中積累的菌根素和環己酮色素的形成[31]。

生長素也是SL生物合成的主要調控因子，維持著CCD7和CCD8的基本轉錄水平。去除豌豆生長素來源，通過去頂或應用生長素運輸抑制劑1-N-萘基酞氨酸(1-N-naphthylphthalamic acid，NPA)導致RMS5顯著下降，尤其是RMS1在莖的上部轉錄水平，并可以通過為植物提供生長素而恢復[58-59]。同樣地，當去除了莖頂端或直接在這些器官下方施用NPA時，擬南芥MAX3的轉錄水平顯著下降[60]。與其調控作用相一致，在完整的豌豆植株莖周圍施用外源生長素，增加了處理部位以下RMS1和RMS5的轉錄水平[59]。在干旱、澇漬和茉莉酸甲酯(MeJA)處理條件下，蘋果CCD7的表達量和啟動子活性下降。MdCCD7的RNAi株系在蘋果中表現為基因表達減少和分枝增多；以MdCCD7RNAi和野生型‘Royal Gala’為砧木和接穗進行了互補嫁接試驗；野生型根不能抑制MdCCD7RNAi接穗中的分枝；通過MdCCD7RNAi的表型分析認為控制蘋果腋芽生長和芽生長速率的是定位在莖內的SL的生物合成，而不是根[61]。

2.3 類胡蘿卜素裂解雙加氧酶8

在MAX4酶的作用下產生了己內酯，是SLs生物合成途徑中的第一個具有SLs活性的產物。已經發現的獨腳金內酯都是己內酯的衍生物，己內酯是所有天然獨腳金內酯的母體化合物，其所含的立體B/C環結構是決定其是否具有生物活性的必需基團[39,62]。CCD8的催化作用是一個連續雙氧化作用，因此CCD8被認為在SLs生物合成過程中占著十分關鍵的位置[45]。CCD8基因是CCDs超基因家族中的一個成員，在水稻和甘蔗(Saccharumspp. hybrids)等植物中均有2 個同源基因。本研究團隊的研究表明甘蔗也有2 個CCD8基因分別為ScCCD8-1和ScCCD8-2，而且這2 個基因的表達模式不同(未發表研究結果)。ScCCD8-1基因在不同組織部位的表達差異較大，主要在幼葉和根尖的表達量高，其他組織中也有表達；ScCCD8-2基因也在各個不同的組織部位表達，但不同組織中的表達差異不顯著。生長素能夠促進SLs的生物合成，通過分枝突變體嫁接試驗的研究，發現豌豆的RMS1(CCD8)基因能夠對生長素作出響應[37]。此外，在SL介導的莖分枝調控中，CCD8在菊花中發揮著重要作用[63]。

SL與生長素、細胞分裂素共同作用影響植物分蘗的產生[64]。在水稻、豌豆和擬南芥的ccd8突變體中均出現SLs的含量減少的情況，植株表現矮化和多分蘗，GR24處理后可恢復野生表型[1,33,65]。體外酶抑制試驗研究表明植物分蘗表型的改變是通過抑制CCD8的酶活性進而抑制SLs生物合成途徑而實現的，而非D27或CCD7[66]。生長素能通過調控植物SLs的生物合成過程來調控植物的分蘗，CCD8基因則可能在生長素調控SLs的過程中起關鍵作用[67]。d10和d3突變體的次生根數量減少，GR24消除了NAA對d10突變體中次生根發育的影響，但在d3突變體中不起作用[68]。CCD8基因不僅與SLs的生物合成有關，還參與了其他的生物學通路，影響植物的生殖發育。CCD8基因的沉默導致多種植物生長和生殖發育出現異常：擬南芥種子小且少，花和果變小[69]；番茄的分枝、節點、不定根增多，矮化，花小，果實小，種子變細等[31]；馬鈴薯表現匍匐莖減少和少花的表型[70]；玉米CCD8基因突變后分枝增加，莖干變細，節間長度降低，不定根的節點發育推遲。小麥TaVRN1蛋白是APETALA1(AP1)亞族中的一類MADS-box轉錄因子，是調控植物營養生長和生殖生長之間轉換的一種轉錄激活因子。當在擬南芥中過表達時，TaVRN1可以通過結合MAX4啟動子近端1 700 bp處的CArG結構而激活MAX4基因的表達[70]。CCD8基因在植物的生長和生殖方面具有重要的作用[71]。根據以上證據可推測植物的分蘗調控作用可能是通過誘導CCD8基因的表達，進而調控SLs生物合成途徑而實現的。本研究團隊通過甘蔗去頂芽試驗，也證實了甘蔗中的ScCCD8-1的表達水平能夠受甘蔗去頂芽處理誘導顯著下調，ScCCD8-1能響應生長素的誘導。因此，ScCCD8-1在SLs生物合成過程中具有重要的調控作用，但其分子調控機制并不清楚。

通過研究SL-缺乏突變體擬南芥max3和max4[60]、水稻d10[33]和矮牽牛dad1[32,34-36]發現，SL的生物合成受一個負面的反饋機制調控，控制生物合成基因的表達。此外，外源SL類似物GR24的應用抑制了擬南芥mas3和max4的表達[72]。除了發生在局部并可能由SL信號通路催化的直接抑制外，SL生物合成可能還受到PAT介導的長距離反饋回路的控制：較高的SL水平通過降低植物生長素電導率來抑制SL生物合成[58-60]。

2.4 細胞色素p450單加氧酶

嫁接研究表明MAX1基因的作用位于CCD7和CCD8生物合成通路的下游[1,16,38]。在SL通路中，MAX1基因[38,69]在單子葉植物中是多系統的，而在藻類基因組中不存在[73]。此外，通過對擬南芥max1-1突變體的分析，發現MAX1基因是SL通路的一個組成部分。MAX1基因是細胞色素P450單加氧酶家族(CYPs)的成員，被鑒定為At2g26170[38]。MAX1基因屬于CYP11家族，編碼細胞色素p450單加氧酶。與MAX1基因相關的突變表型只在擬南芥中被發現，該基因存在于所有的維管植物中[73]，CYPs家族酶實際上在所有的生物體中都是普遍存在的，甚至在病毒中也存在，其成員可催化廣泛的氧化還原反應[73]。由于CYPs可以催化不同種類的反應，因此MAX1盡管可以催化下游的CL的羥基化反應，在MAX通路中的重要作用難以識別。近期的研究表明，max1突變體中己內酯的含量比野生擬南芥高約700 倍，說明己內酯(CL)是MAX1的底物，是一種移動信號[62]。

2.5 側枝化氧化還原酶基因

天然獨腳金內酯的多樣性研究表明，應有更多的酶參與其生物合成[13]，有待進一步發現。通過轉錄組學方法修改獨腳內酯生物合成基因表達并結合反向遺傳學的方法，在擬南芥中發現了獨腳金內酯代謝中缺失的一種酶，即側分枝氧化還原酶基因LBO，其編碼一個2-氧戊二酸(2-oxoglutarate)和鐵(II)依賴的雙加氧酶，該酶參與了MAX1下游獨腳金內酯的合成[13]。MeCLA是側枝化氧化還原酶LBO的底物，LBO可將MeCLA氧化成為MeCLA+16D[13]。

擬南芥lbo突變體的莖分枝增加，但lbo突變體的表型與max突變體相比沒有顯著差異，表明之前在擬南芥中鑒定出的獨腳金類化合物并不是擬南芥中主要的獨腳金內酯[13]。嫁接試驗表明：LBO需要嫁接傳遞的信號，這反過來又需要MAX1的產物；突變體lbo顯示出對己內酯、MAX1的底物、MAX1下游產物MeCLA的響應降低；LBO蛋白特異性地將MeCLA轉化為一種未知的類獨腳金內酯化合物[13]。因此推斷，在擬南芥和其他種子植物中，LBO基因的功能可能是在獨腳金內酯生物合成的后續步驟中發揮重要作用[13]。

在水稻中，CL轉化為標準的四環獨腳金內酯結構需要向C19添加2 個氧原子，并關閉B和C環以產生4-脫氧葡萄糖基(4DO，ent-2′-epi-5-deoxystrigol)[21]。這個反應是MAX1的家庭成員細胞色素P450蛋白質催化的[38-39]。第二個MAX1酶氧化4DO產生列當醇[39]。在擬南芥中的具體反應過程還不太清楚，因為只有唯一一個MAX1基因編碼的蛋白質氧化CL的C19產生己內酯酸(CLA)，并不明顯促進形成B和C環[23,39,74]。內源的MeCLA的產生需要一個未知的甲基轉移酶催化。由其與受體D14互作推測MeCLA具有相關生物活性，然而CL和CLA都不具有該生物活性[23]。擬南芥嫁接試驗發現上游和下游產物MAX1是可以通過嫁接轉移傳送，也就是說，MAX1的底物和產物可以從根莖轉運至芽處[38,60]。意味著擬南芥中可被轉運的移動產物可能是CL-及CL-相關的產物。

擬南芥MAX3和MAX4基因的一個共同特征是：在獨腳金內酯生物合成和感知突變體中的表達增加，其轉錄水平隨著生長素水平和/或生長素處理的變化而變化[60]。因此，推測在特定條件下，這些新的獨腳金內酯生物合成基因可能與這些新的獨腳金內酯生物合成基因共同表達。綜上，LBO在MAX基因和CL的下游產生類獨腳金內酯化合物的過程中起著至關重要的作用。該研究結果對于識別其他具有生物活性的獨腳金內酯具有重要意義，有助于進一步了解獨腳金內酯生物合成途徑的組成和調控，進而了解植物中獨腳金內酯的功能及其作用機制。

3 SLs的功能

通過豌豆、矮牽牛、擬南芥等植物的突變體表型分析、嫁接試驗、外源激素處理及基因表達模式等研究，明確抑制植物分枝是獨腳金內酯的一個重要功能[65,75]。SLs在植物中起著調節植物的分枝和根系結構、不定根形成、次生長和葉片衰老等作用，同時還協助植物響應營養脅迫和其他非生物脅迫等[76-78]。

3.1 獨腳金內酯在植物地上、地下部生長發育的作用

SLs通過刺激叢枝菌根真菌菌絲的分支，建立與叢枝菌根真菌有益共生關系[18]。大約80%的陸地植物與叢枝菌根真菌共生，植物中的碳通過菌絲被交換到真菌中，對于土壤中流動性較低的營養物質如磷酸鹽的利用，尤為重要[79-80]。

多種植物的分蘗突變體表現出分枝增加的表型：擬南芥的腋芽生長較多(moreaxillarygrowth，max)；豌豆的多分枝(ramosus，rms)，；水稻的矮稈(dwarf)/高分蘗矮稈(hightilleringdwarf，htd)；矮牽?；ǖ捻敹藘瀯?decreasedapicaldominance，dad)下降。上述研究結果表明存在根源性的向上移動的信號分子，其通過抑制腋芽的生長來決定分枝[56]。SLs生物合成基因的突變體缺乏SLs，具有多分蘗的表型，可通過添加外源SL類似物GR24恢復其表型，如豌豆中的rms1和rms5[1-2,81]。

SLs可正向調節擬南芥的主根長度。SLs通過調節擬南芥生長素的含量來控制初級根系伸長，施用外源GR24可以恢復根的表型，外源GR24的施用可以增加原根的長度[82]。GR24抑制了豌豆的不定根的形成[11]。在生長素信號突變體axr1中，不定根會減少，而max突變體則沒有，說明抑制不定根形成需要生長素信號[83]。與擬南芥和豌豆不同，水稻SLs對根伸長有正向調節作用。擬南芥SLs和乙烯協同促進根毛的生長，通過1 個共同的調控途徑，此外生長素和SLs通路在調控根毛伸長過程中可能存在相關性[84]。在磷充足的條件下，SLs負調控側根的形成，SLs缺乏還會導致葉片衰老延遲、根系結構改變和次生長減少[85-86]。因此，SL對植物生長的影響始于根，并因此影響到整個植物的生長，這可能與獨腳金內酯調控植物生長以適應環境變化密切相關[87-88]。SLs也可抑制致病真菌的生長，GR24通過調節激素防御途徑間接抑制致病真菌的生長[82]。

3.2 對非生物脅迫應答調控

SL通過與細胞分裂素互相作用調控植物響應脅迫，植物通過整合多種激素響應途徑來適應環境壓力。SL通過基因的調控減少非生物脅迫對作物產量的負面影響。SL和ABA之間存在相互作用，擬南芥max2突變體比野生型植株水分蒸發多，對干旱脅迫敏感，這可能是由于氣孔關閉效率低，對ABA敏感性降低所致[76]。與野生型相比，擬南芥max2和max4突變體SLs產量不足，葉片中大量ABA依賴基因和干旱誘導基因表達下調，葉片氣孔密度增加，ABA誘導的氣孔關閉延遲，突變體對干旱和鹽脅迫敏感[4]。

SLs在非生物脅迫的應激反應中發揮著關鍵的調控作用，且以依賴于ABA和獨立的方式發揮作用。GR24的應用可恢復SL缺失突變體的干旱敏感性，也可以提高野生型植物的抗旱性。然而，這與先前的數據存在矛盾，表明SLs在干旱脅迫響應中可能具有不同的調控機制[76]。

3.3 SLs在葉片衰老中的作用

多種植物激素的協同調控葉片的衰老。ABA、茉莉酸和乙烯都能誘導葉片的衰老，而細胞分裂素是抑制葉片衰老的強效因子。SLs也是一類調節葉片衰老的植物激素，在缺乏SL和SL不敏感的突變體中，觀察到延遲葉片衰老的表型[89-90]。擬南芥突變體ore9枝條較多，葉片衰老延遲[91]，與max2等位[86]。水稻d3突變體也存在葉片衰老延遲的現象。荷花ccd7/max3突變體分枝增加，葉片衰老延遲[92]。此外，在水稻和擬南芥中，應用GR24處理在黑暗中培養的葉片，可以觀察到葉片變黃和膜離子泄漏的葉片衰老的跡象[93-94]。在葉片衰老過程中，隨著轉錄水平的升高，SLs的生物合成相關基因MAX1、MAX3和MAX4表達增加，提示SLs在葉片衰老過程中起著重要作用。

3.4 SLs在植物結節形成中的作用

研究表明獨腳金內酯在植物結瘤形成中發揮重要的推動作用(特別是在缺氮狀態下)[12]。SLs在結瘤過程中主要作為激素發揮作用，而不是作為根際信號分子發揮作用[95-96]。因此，推斷SLs是寄生植物的關鍵識別信號之一。低濃度GR24顯著增加了紫花苜蓿根瘤數量[96]。此外，豌豆的獨腳金內酯缺陷突變體的結節數減少，施用合成GR24可以增加結節數,GR24能增加紫花苜蓿(alfalfa)、百脈根(Lotusjaponicas)和野生豌豆(pea)的結瘤數量[57,96-97]。豌豆SL缺陷突變體rms1的結節數比野生型少約40%，通過應用外源GR24可獲得結節表型的部分恢復。同樣，當荷花的SL缺陷突變體減少了約80%的獨腳金內酯表達水平，結節數也減少約20%[57]。綜上所述，SLs對植物結節的發育具有正向推動作用。然而，與豌豆突變體rms1相比，rms4突變體具有比野生型更多的結節，推測SLs可能在結節形成早期起作用，而不是在結節的器官發生過程中起作用[12]。

4 SLs與其他植物激素的互作

SL的生物合成在轉錄水平上受反饋機制的負調控，也受其他植物激素的調節，并在植物體內保持激素平衡。與激素互作是SL生物合成的另一個重要決定因素。

4.1 與生長素的相互作用

SLs在生物應激反應中的作用被認為是通過與其他植物激素的相互作用來實現的[21,89,98]。因此，SLs也可以與其他植物激素一樣，通過與其他植物激素和環境通路的關聯、獨立或依賴，調控植物生長發育。

生長素和獨腳金內酯之間存在復雜的相互作用，生長素對SLs生物合成有積極的影響，SLs反過來也能影響生長素的生物合成和轉運，并調節芽的生長[57,89,99]。外源生長素可以提高分蘗節中D10、D17和D27的表達水平[100]，在SL生物合成突變體中顯示編碼SL生物合成酶的基因轉錄水平升高，在這種現象MAX1、CCD7、CCD8和LBO轉錄中都可以檢測到[13,32-33,36,60]。反之，外源GR24在擬南芥植株上的應用導致了CCD7和CCD8轉錄水平的下降[72]。水稻去頂處理后添加IAA可恢復D10基因的表達，而僅去頂處理則降低了D10的表達，說明極性生長素運輸流調控了水稻SL的生物合成[67]。

在擬南芥中，SLs通過2 條途徑控制芽的生長[101]：一是SLs降低了主莖桿極性生長素運輸流的容量；二是SLs通過木質部從根向外運輸，通過調節TCP轉錄因子(BRC1)直接抑制芽的生長。同樣，外源GR24處理也降低了水稻幼苗根部PIN家族基因的表達水平，改變了水稻IAA的分布[47]。

擬南芥中TCP轉錄因子BRC1/BRC2和生長素外運載體PIN1是植物芽的發育過程中可能的SLs信號靶點[14]，玉米突變體Brc1的分枝數量比缺SL的突變體少[102]，表明BRC1對SLs分枝的獨立影響。生長素能通過調控植物SLs 的生物合成過程來調控植物的分蘗，而CCD8基因可能在生長素調控SLs 的過程中起關鍵作用[67]。

SLs通過調節生長素的轉運進而抑制芽的分枝。通過外源GR24的施用抑制了max突變體和野生型木質部薄壁細胞中生長素的轉運和PIN1的積累，從而抑制了極性生長素轉運流[103]。不同濃度的GR24對生長素轉運狀態的影響不同，SLs對處理后植株的分枝有不同的作用，使用低濃度的GR24(10 nm)促進莖尖分枝，而高濃度的GR24(0.11 μmol)減少了分枝[99]。

4.2 與脫落酸的交互作用

植物激素可以通過協同調控響應非生物脅迫，如ABA、油菜素內酯(Brassinolide，BRs)和細胞分裂素等[4]。在植物干旱脅迫響應中，植物激素ABA起著基礎性作用。ABA水平的升高主要是由于9-順式環氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)家族活性的增加，該家族可催化ABA合成中的限速步驟。獨腳金內酯和ABA都參與了類胡蘿卜素裂解，且都來源于1 個共同的底物——類胡蘿卜素，因此，獨腳金內酯和ABA代謝之間的關聯是必然。SL和ABA通路的相互連接可能是通過D27蛋白實現的[46,78]。此外，外源GR24的施用降低了擬南芥種子的ABA水平，從而減少了高溫脅迫引起的休眠[104]。同樣，SLs降低了ABA水平，促進了錦葵(Phelipancheramose)種子的萌發[42]。在正常或應激條件下，ABA水平不會因SL不敏感而改變[76]。與野生型相比，在干旱脅迫下擬南芥SL缺乏突變體中ABA轉運蛋白下調表達[4]，而在蓮花和番茄的研究中，SL缺乏突變體的葉片在通過葉柄供給外源ABA時間足夠長的情況下，與野生型相比，突變體仍有關閉氣孔的能力[105-107]。在SLs和轉錄調控因子之間可能存在一些miRNAs，這些miRNAs被證明也與其他激素有關[108-109]。

SL和ABA之間的交互關系是非生物脅迫耐受的關鍵，在自然脅迫條件下，利用植物激素信號和代謝調節，可改善作物的生存能力。因此，有必要深入研究在不同脅迫作用下，SL對植物表型的影響，了解生理生化變化和解析調控植物生長的作用機理，驗證其是否與ABA的合成通路有關，是否與ABA轉運的調節有關，SL和ABA之間的聯系存在哪些轉錄調控基因或蛋白的相互作用，這些都有待進一步解答。

5 展 望

獨腳金內酯是作為誘導寄生雜草種子萌發的根分泌物信號而被發現，是一種具有高度結構多樣性的植物激素和根際信號化合物，能抑制植物分枝，在調控植物生長發育中起重要作用。獨腳金內酯還參與在植物響應逆境、調整自身生長，并得以在環境和群體的競爭中獲得優勢的過程。在高等植物中，獨腳金內酯可能參與調控植物的生長和發育來實現資源分配的平衡。高等植物缺磷會增加獨腳金內酯的生物合成，從而改變根系生長，增加磷酸鹽的攝取量。

已有研究通過分枝突變體研究分離獲得了SL生物合成的關鍵基因。進一步發現SLs與植物的非生物脅迫響應有關，可以通過SLs提高植物的抗性。然而SLs在植物內的運輸機理，以及其在植物發育中的作用，有待深入研究。

研究植物干旱適應機制研究的結果發現CK和SL信號通路之間可能存在相互作用。CK延緩葉片衰老而SL促進葉片衰老，CK和SL途徑在控制地上部分和地下部分存在的拮抗作用，表明CK和SL分別具有負調控作用和正調控的作用。未來研究方向可通過獲得耐旱CK和耐旱SL信號突變體的抑制突變體，研究2種激素在干旱作用下的生物合成的影響，以及解釋2 種激素在干旱條件下的相互作用機制。深入了解CK和SL在干旱脅迫響應中的作用，通過精確的基因組編輯來調節這些通路，有助于更合理、有效的方式設計改良的耐旱作物。

SL被證實與ABA、生長素、GA等都有相互作用，因此闡明其在基因和蛋白水平解析激素間的相互作用其作用機理也是尤為重要，是利用激素提高作物產量的重要依據。