獨腳金內酯合成路徑及抗逆性研究進展

來源:用戶上傳      作者:

　　摘要    獨腳金內酯（strigolactone，SL）是一類萜內酯，來源于類胡蘿卜素生物合成途徑，是通過一系列的酶促反應合成的。但關于獨腳金內酯的生物合成路徑尚未研究透徹，目前已經了解到D27蛋白、CCD7蛋白、CCD8蛋白、P450蛋白在這一過程中發揮著不可忽視的作用。現已從豌豆、水稻、矮牽牛、擬南芥等多分枝突變體中克隆得到多個與SL合成、傳導途徑相關的基因。其中，D27、CCD7和CCD8是獨腳金內酯合成途徑的上游基因，經過雙加氧和脫氫，最后在MAX1的作用下生成了5-脫氧獨腳金醇。獨腳金內酯是一類新型激素，能夠誘導根寄生植物種子萌發并且加快叢枝真菌出現分枝，有著阻礙植物分枝生長的作用，從而抵御各種脅迫，對植物的生長具有重要意義。
　　關鍵詞    獨腳金內酯;合成途徑;生物學功能;抗逆性
　　中圖分類號    Q946        文獻標識碼    A        文章編號   1007-5739（2019）09-0120-03
　　Abstract    Strigolactone（SL）is a kind of terpenoid lactone，which is derived from carotenoid biosynthetic pathway，and is synthesized by a series of enzymatic reactions.However，the SL biosynthesis pathway has not been thoroughly studied，it has been known that D27，CCD7，CCD8 and P450 proteins play an important role in this process.Nowadays，some genes related to SL biosynthesis and signaling pathways were cloned from high-tillering mutants from different plant species such as pea，rice，petunia and Arabidopsis.D27，CCD7 and CCD8 are responsible for the upstream pathway，after double oxygenation and dehydrogenation，5-deoxystrigol is formed under the action of MAX1.As a new type of plant hormone，SL can induce seed germination of root parasitism plants，stimulate hyphal branching in arbuscular mycorrhizal fungi（AMF）and inhibit plant branching，having an ability to resist different kinds of stresses，which is of great significance to the growth of plants.
　　Key words    strigolactone;synthetic pathway;biological function;stress resistance
　　植物激素是植物自身代謝產生的一類有機物質，在極低濃度下對植物的生命活動起調控作用，參與種子休眠、萌發、營養生長和分化至生殖、成熟和衰老等一系列生長發育過程;植物激素還會作為信號分子感受外在環境變化，從而調節自身生長狀況來抵御不良環境。隨著植物生理學的發展，除五大類傳統植物激素外，越來越多的生長物質被證明定義為新型植物激素。2008年，Gomez-Roldan等[1]和Umehara等[2]將獨腳金內酯（strigolactone，SL）確定為一類新的植物激素。
　　獨腳金內酯（SL）是一些天然的獨腳金醇類化合物和人工合成類似物的總稱，最初是在分析由棉花根部分泌的一種刺激惡性寄生雜草——獨腳金（Striga spp.）種子萌發的信號物質時發現，因而被稱為獨腳金內酯[3]。獨腳金內酯廣泛存在于所有叢枝真菌宿主植物和寄生植物宿主的根系中，涉及被子植物、裸子植物、蕨類植物和苔蘚植物。獨腳金內酯具有抑制植物分枝、刺激寄生雜草種子萌發和促進叢枝真菌菌絲分枝的作用。獨腳金內酯是一類倍萜烯化合物，分子骨架含4個環，是1個烯醇醚鍵將1個三環內酯和1個γ-丁烯羥酸內酯環接而成。主要存在5種天然獨腳金內酯，分別為獨腳金醇（Strigol）、5-脫氧獨腳金醇（5-deoxystrigol）、Alectrol和列當醇（Orobanchol）、高粱內酯（Sorgolactone）;人工合成類似物有GR24、GR6和GR7等。獨腳金內酯主要在植物根部合成，在莖和葉中也有少量分布，通過2條獨立的途徑進行合成：一是甲瓦龍酸途徑，在細胞質中進行，以甲瓦龍酸為前體，合成甾體類和倍半萜化合物;二是甲基赤蘚糖醇途徑，在質體中進行，胡蘿卜素、單萜和二萜等由此途徑合成。編碼同源蛋白CCD7的MAX3/RMS5/DAD3/D17/HTD1、編碼同源蛋白CCD8的MAX4/RMS1/DAD1/D10、編碼細胞色素 P450單加氧酶的MAX1以及編碼β-胡蘿卜素異構酶的D27[4]等基因參與獨腳金內酯合成。幾種植物的遺傳數據表明，該種物質是胡蘿卜素裂解過程中的產物。目前已經明確有3個酶參與到這一過程中，即胡蘿卜素裂解雙加氧酶、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶和細胞色素P450單加氧酶[5]。 　　雖然現階段有關獨腳金內酯的研究已取得了顯著進展，克隆獲得了上述位于獨腳金內酯合成途徑中的 8個關鍵基因，并部分闡釋了獨腳金內酯的合成途徑，但獨腳金內酯的合成和信號傳導途徑尚不清晰，已克隆的基因非常有限。本文綜述了獨腳金內酯合成途徑及其已克隆的相關基因，闡述其在植物生理抗性方面的作用，并展望未來研究與發展空間。
　　1    獨腳金內酯合成路徑
　　目前，普遍認為獨腳金內酯是一類來源于類胡蘿卜素（carotenoid）的萜內酯，已從多種植物根部分泌物中發現[3]。著名的生物學家Matusova等[6]通過玉米的類胡蘿卜素突變和類異戊二烯途徑抑制劑，發現獨腳金內酯來源于類胡蘿卜素途徑，是以類胡蘿卜素為前體，經脫氧、氧化等過程后生成獨腳金醇，再由獨腳金醇轉化成具有生物活性的獨腳金內酯物質。目前，已從擬南芥、水稻和豌豆等植物突變體中鑒定分離出和獨腳金內酯代謝相關的4個酶類，分別為類胡蘿卜素異構酶 D27（β-carotenoid isomerase）、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶7（carotenoid cleavagedioxygenase 7，CCD7）、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶 8（carotenoid cleavagedioxygenase 8，CCD8）以及細胞色素P450單加氧酶（cytochrome P450 monooxygen-ase，P450）[7]。合成的具體過程：D27把all-trans-β-類胡蘿卜素轉化為9-cis-β-類胡蘿卜素，CCD7起到裂解的作用，將9-cis-β-類胡蘿卜素轉化為 9-cis-β-apo-10′-胡蘿卜醛，CCD8 在該物質上結合了3個氧原子，之后經過分子重新排列，產生了己內酯（carlactone，CL），再經過P450等酶的作用進一步反應，最終形成獨腳金內酯（圖1）[8]。5-脫氧獨腳金醇是該類物質中結構最簡單的，也是首個擁有生物學活性的，其他獨腳金內酯被認為都由此衍生，在百脈根屬植物中首次發現。
　　科學家現已通過對蛋白對應基因突變體的探究，從多種植物中分離獲得參與該物質合成過程的基因。Lin等[9]從水稻中克隆到編碼D27蛋白的基因D27，主要在維管細胞中表達。著名的生物學家Booker等[10]、Zou等[11]、Morris等[12]、Dru-mmond等[13]、Vogel等[14]分別在豌豆、水稻、擬南芥、矮牽牛（Petuniahybrida Vilm） 以及馬鈴薯 （Solanum tuberosum）中得到編碼CCD7的同源基因MAX3、HTD1、RMS5、DAD3以及SlCCD7。Sorefan等[15]、Arite等[16]、Snowden等[17]、Proust等[18]分別在豌豆、水稻、擬南芥、矮牽牛以及小立碗蘚（Physcomit-rella patens）中得到了可以編碼CCD8的同源基因MAX4、D10、RMS1、DAD1以及Pp CCD8。關于P450編碼基因研究報道的不多，僅研究人員Strinberg等[19]、Booker等[20]在研究中，提取到擬南芥編碼P450的遺傳物質MAX1。上述遺傳物質除 MAX1外，其他的編碼產物都在葉綠體中，通過它們在質體內的協同作用，可以催化 β-類胡蘿卜素的轉化，合成獨腳金內酯。
　　1.1    MAX3/RMS5/DAD3/D17/HTD1
　　CCD7是SL合成過程中發現的第1個關鍵酶。在擬南芥、豌豆、矮牽牛和水稻的研究中發現，MAX3/RMS5/DAD3/D17基因為編碼CCD7蛋白的同源基因。通過對擬南芥中MAX3 基因及豌豆、矮牽牛、水稻中同源基因的序列分析發現，MAX3在單子葉和雙子葉植物中具有保守的調控植物分枝的機制[11]。
　　1.2    MAX4/RMS1/DAD1/D10
　　在擬南芥、豌豆、矮牽牛和水稻中，MAX4/RMS1/DAD1/D10基因是編碼CCD8的同源基因。在大腸桿菌中表達擬南芥MAX3和MAX4并研究其功能的試驗中證明，CCD8作用于CCD7下游;同時，CCD8在葉綠體中能將由CCD7 裂解生成的C27的10′-脫輔基 -β類胡蘿卜醛 /酮再次裂解，形成C18的13-脫輔基-β-類胡蘿卜素和C9的二醛，裂解產物其中之一便是獨腳金內酯合成過程的中間產物[10]。
　　1.3    D27
　　D27的具體功能至今還未有明確結論。有些猜測認為，D27可能在CCD8之后起作用，產生移動的獨腳金內酯前體或中間產物[9];也有可能作為一種異構酶作用于CCD7之前，將反式β-類胡蘿卜素轉變成順式β-類胡蘿卜素[21]。
　　1.4    MAX1
　　MAX1是從擬南芥中克隆獲得的編碼細胞色素P450蛋白的基因，在質體外將能夠移動的前體或中間產物改變成具活性的不同種類的獨腳金內酯[20]。MAX1在SL合成途徑中的具體位置至今尚不清楚，大致可以判斷其位于MAX3和MAX4基因的下游。遺傳學證據表明，擬南芥中一編碼細胞色素P450（CYP）的基因MAX1，在獨腳金內酯的合成途徑中起重要作用，能將CCD8催化產生的中間產物轉變為獨腳金內酯的前體——己內酯（carlactone，CL）[22]。
　　2    獨腳金內酯抗逆性研究進展
　　2.1    抗非生物脅迫
　　大量數據一致表明，擬南芥MAX2突變體較WT植物蒸發的水分更多，表現出對干旱脅迫高度敏感，SL合成基因在這些應答中沒有出現缺陷，而ABA、干旱敏感、滲透脅迫都受MAX2限制[23]，這說明MAX2在非生物脅迫中扮演著重要角色。Bu等[24]研究表明，擬南芥MAX3和MAX4突變體也對干旱和鹽脅迫敏感，較WT植物表現出較高的葉氣孔密度和延遲ABA誘導氣孔關閉。 　　在自然界中，植物通常能與微生物建立共生關系，其中最不可忽視的同時也最具有經濟價值的是植物與叢枝真菌形成的共生關系。這種共生關系分布于世界各地，大部分的高等植物、蕨類植物和苔蘚植物均能形成這種共生關系。專性活體共生的真菌叢枝菌屬球囊菌門（Glomeromycota）只有在和植物共生的情況下，才能夠存活且進行繁殖。該種真菌能夠穿過植物根的皮層位置，共生在其體內，再經過連續二叉分枝形成叢枝狀構造，最終構建出和植物間的營養互換場所;與此同時，菌絲能夠起到幫助植物擴大根部營養吸收范圍的作用，幫助植物最大程度吸收養分，包括無機磷、氮和其他微量元素。上述關系的出現，能夠在很大程度上提高植物抵抗各類生物脅迫和非生物脅迫的能力。共生關系的建立起始于植物和真菌間的信號交換。真菌釋放一種稱為“真菌因子”的物質誘導植物根中相關基因表達，為結合做好準備;植物的根釋放一種“分枝因子”的物質誘導菌絲分枝，以增加菌絲分枝量，為與植物根系結合而努力。目前，分枝因子已被證實是獨腳金內酯。
　　在發生頂芽喪失的不利情況下，植物有著分枝能力，這種能力可以有效減少損傷，這是一種受遺傳、發育和環境等多種因素調控的保護機制，是植物為適應外部環境而產生。最新研究結果證實，除細胞分裂素以及生長素外，該物質或其化合物也是一種能夠抑制植物分枝的新型激素物質[25]。
　　2.2     抗生物脅迫
　　通過研究反向遺傳篩選F-box蛋白突變體，顯示出MAX2作為植物防御的一個組成部分，有助于植物抵抗病原菌[26]。在非洲、亞洲大陸的廣大地區，由于列當（Orobanche spp.）、獨腳金（Striga spp.）等根寄生植物共生在番茄、玉米、煙草、高粱等重要經濟作物上，植物根部釋放出的獨腳金內酯會誘導寄生種子萌發，汲取農作物營養而導致農作物大規模減產，每年的損失高達 10 億美元。因此，如果在農業生產過程中，在種植前就人為將該物質置于農田，誘導寄生植物種子“自身性萌發”（suicidal germination），之后再進行種植，可以減少對農作物生長的不良影響[27]。獨腳金內酯物質作為一種新型植物激素，相關基因主要在植物的維管組織和輸導組織中表達。獨腳金內酯代謝相關基因的表達調控能改變植物的生長發育趨勢，并有助于增強植物抗逆性。作為激素應用在農業生產領域，獨腳金內酯可以誘導植物根部叢枝真菌的分枝、增強植物抗逆性、加快作物生長、增加作物產量;與細胞分裂素和生長素彼此相互影響、相互作用，從而影響植物的分枝情況。如在果樹方面，可以通過抑制獨腳金內酯的合成，調控植物分枝，促進其開花結果，提高產量。
　　綜上所述，獨腳金內酯的生物合成從β-胡蘿卜素開始，到與受體結合，再到信號的傳遞，是一個精細而復雜的調控網絡，過程中涉及多個酶的催化反應。研究證明，這些酶類的同源基因在矮牽牛、擬南芥、水稻、豌豆中均存在，在獨腳金內酯合成途徑中發揮著相同的作用，也因品種類型的不同而表現出不同的生長特性。
　　獨腳金內酯作為一種新型植物激素，參與調控植物生長發育和植物與微生物的相互作用，相關基因的表達或抑制可以有效地改變植株的根部生長及植株的營養狀況，有利于培育各種抗脅迫（如鹽漬、干旱、低溫等）的作用新品種，有著比較廣闊的發展前景以及相應的價值;目前獨腳金內酯已知的作用有很多，包括能夠刺激種子萌發等，其他生物學作用也已經成為研究熱點。因此，這種激素具有不可忽視的研究意義。
　　目前，有關獨腳金內酯合成和信號轉導途徑的研究還處于初期階段，仍有許多問題有待解決，如獨腳金內酯途徑中還存在哪些關鍵基因、各個基因的功能是什么、不同的獨腳金內酯類化合物各是經過什么樣的生成過程、獨腳金內酯與其他植物激素（特別是生長素和細胞分裂素）有著怎樣的相互作用、除已發現的作用外獨腳金內酯對植物是否有其他影響等問題。因此，對獨腳金內酯開展深入而透徹地研究非常必要。
　　3    參考文獻
　　[1] GOMEZ-ROLDAN V，FERMAS S，BREWER P B，et al.Strigolactone inhibition of shoot branching[J].Nature，2008，455（7210）：189-194.
　　[2] UMEHARA M，HANADA A，YOSHIDA S，et al.Inhibition of shoot bran-ching by new terpenoid plant hormones[J].Nature，2008，455（7210）：195-200.
　　[3] COOK C E，WHICHARD L P，WALL M E，et al.Germination stimulabtsⅡ.The structure of strigol：A potent seed germination stimulants for witc-hweed（Striga lutea Lour.）[J].Journal of American Chemical Society，1972，94：6198-6199.
　　[4] 王閔霞，彭鵬，龍海馨，等.獨腳金內酯途徑相關基因的研究進展[J].分子植物育種，2014（3）：603-609.
　　[5] 丁義峰，劉萍.獨腳金內酯的生物合成及對植物生長發育的調節功能研究進展[J].生物學教學，2012（5）：11-13.
　　[6] MATUSOVA R，RANI K，VERSTAPPEN F W A，et al.The strigolactone germination stimulants of the plant-parasitic Striga and Orobanche spp.are derived from the carotenoid pathway[J].Plant physiology，2005，139（2）：920-934. 　　[7] 陳虞超，鞏檑，張麗，等.新型植物激素獨腳金內酯的研究進展[J].中國農學通報，2015（24）：157-162.
　　[8] RUYTER-SPIRA C，Al-BABILI S，VAN DER KROL S，et al.The biol-ogy of strigolactones[J].Trends Plant Sci，2013，18（2）：72-83.
　　[9] LIN H，WANG R X，QIAN Q，et al.DWARF27，an iron-containing pro-tein required for the biosynthesis of strigolactones，regulates rice tiller bud outgrowth[J].The Plant Cell，2009，21（5）：1512-1525.
　　[10] BOOKER J，AULDRIDGE M，WILLS S，et al.MAX3/CCD7 is a carote-noid cleavage dioxygenase required for the synthesis of a novel plant signaling molecule[J].Current Biology，2004，14（14）：1232-1238.
　　[11] ZOU J H，ZHANG S Y，ZHANG W P，et al.The rice HIGH-TILLERING DWARF1 encoding an ortholog of Arabidopsis MAX3 is required for negative regulation of the outgrowth of axillary buds[J].The Plant Journal，2006，48（5）：687-698.
　　[12] MORRIS S E，CGN T，MURFET I C，et al.Mutational analysis of branc-hing in pea.evidence that Rms1 and Rms5 regulate the same novel signal[J].Plant Physiology，2001，126（3）：1205-1213.
　　[13] DRUMMOND R S M，MART？魱NEZ-S？魣NCHEZ N M，JANSSEN B J，et al.Petunia hybrida CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 7（Ph CCD7/DAD3）is involved in the production of negative and positive branching signals in petunia[J].Plant Physiology Preview，2009，151（4）：1867-1877.
　　[14] VOGEL J T，WALTER M H，GIAVALISCO P，et al.SlCCD7 controls strigolactone biosynthesis，shoot branching and mycorrhiza-induced apocarotenoid formation in tomato[J].The Plant Journal，2010，61（2）：300-311.
　　[15] SOREFAN K，BOOKER J，HAUROGN？魪 K，et al.MAX4 and RMS1 are orthologous dioxygenase-like genes that regulate shoot branching in Arabidopsis and pea[J].Genes and Development，17（12）：1469-1474.
　　[16] ARITE T，IWATA H，OHSHIMA K，et al.DWARF10，an RMS1/MAX4/DAD1 ortholog，controls lateral bud outgrowth in rice[J].The Plant Jour-nal，2007，51（6）：1019-1029.
　　[17] SNOWDEN K C，SIMKIN A J，JANSSEN B J，et al.The Decreased apical dominance1/Petunia hybrid CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGEN-ASE8 gene affects branch production and plays a role in leaf senescen-ce，root growth，and flower development[J].The Plant Cell，2005，17（3）：746-759.
　　[18] PROUST H，HOFFMANN B，XIE X N，et al.Strigolactones regulate pro-tonema branching and act as a quorum sensing-like signal in the moss Physcomitrella patens[J].Development，2011，138（8）：1531-1539.
　　[19] STIRNBERG P，SANDE K V D，LEYSER H M O.MAX1 and MAX2 co-ntrol shoot lateral branching in Arabidopsis[J].Development，2002，129（5）：1131-1141.
　　[20] BOOKER J，SIEBERER T，WRIGHT W，et al.MAX1 encodes a cytoch-rome P450 family member that acts downstream of MAX3/4 to produce a carotenoid-derived branch-inhibiting hormone[J].Developmental cell，2005，8（3）：443-449. 　　[21] ALDER A，JAMIL M，MARZORATI M，et al.The path from β-carotene to carlactone，a strigolactone-like plant hormone[J].Science，2012，335（6074）：1348-1351.
　　[22] 段明，元香梅，蔣茂雙，等.獨腳金內酯生物學結構特性、功能基因組學、表觀遺傳學及應用[J].山西農業大學學報（自然科學版），2016，（12）：868.
　　[23] HA C V，LEYVA-GONZALEZ M A，OSAKABE Y，et al.Positive regul-atory role of strigolactone in plant responses to drought and salt stress[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2014，111（2）：851-856.
　　[24] BU Q，LV T，SHEN H，et al.Regulation of drought tolerance by the F-box protein MAX2 in Arabidopsis[J].Plant Physiology，2014，164：424-439.
　　[25] 李亞棟，張芊，孫學輝，等.植物分枝發育的調控機制[J].中國農業科技導報，2009，11（4）：1-9.
　　[26] PIISILA M，KECELI A M，BRADER G，et al.The F-box protein MAX2 contributes to resistance to bacterial phytopathogens in Arabidopsis thaliana[J].BMC Plant Biology，2015，15（1）：53.
　　[27] ABEBE G，SAHILE G，TAWAHA A R M A.Evaluation of potential trap crops on Orobanche soil seed bank and tomato yield in the central rift valley of ethiopia[J].World Journal of Agricultural Sciences，2005，1（2）：148-151.
　　作者簡介   安奕霖（1996-），女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生。研究方向：果樹生態生理。
　　*通信作者
　　收稿日期   2019-01-24
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/8/view-14894142.htm