獨腳金內酯的結構和分類、合成及信號轉導

獨腳金內酯(strigolactone,SL）最初是從分析玉米根系中植物分泌的一種刺激惡性寄生雜草獨角金（Striga spp.）種子萌發的信號物質時發現的通過類胡蘿卜素途徑合成的倍半萜類化合物，因此被稱為獨腳金內酯。后來進一步發現其具有多種生理功能，近年被證明為一種植物中普遍存在的新型植物激素。

獨腳金內酯并不是指某種具體的植物激素，而是幾種植物激素的統稱。其包括：獨腳金醇、高粱內酯、列當醇和人工合成的類似物GR24、GR6、GR7等。根據其化學結構，SLs可分為典型(Canonical SLs) 和非典型獨腳金內酯（Non-canonical SLs）兩類。

典型的SLs：具有相似的倍半萜碳骨架結構，可分為獨腳金醇(Strigol)和列當醇(Orobanchol)，它們均由一個三環(ABC環)內酯通過一個烯醇醚橋與5－羥基呋喃酮(D環)以醚鍵連接而成。

研究發現，烯醇醚橋和D環是其保持SL樣生物活性的保守結構，D環C-2'的R立體構型是其保持強效發芽刺激活性的重要結構特征。在天然分離物的A、B環上發現了烷基、羥基或乙酰氧基等不同官能團修飾，構成了天然SLs的結構多樣性。目前，已有30多種天然的獨腳金內酯從棉花、水稻、紅三葉草、豇豆和煙草等植物的根系分泌物中分離得到，并作為寄生雜草種子獨腳金、小列當和分支列當的萌發刺激物活叢植菌根真菌的菌絲分支誘導物。

非典型的SLs：在研究獨腳金內酯系列代謝產物的過程中發現的一類衍生物，其特點是含有保守的烯醇醚鍵和D環結構，但經典的倍半萜ABC環結構被多樣化骨架的脂肪鏈所取代。

獨腳金內酯的合成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 cleavagedioxygenase7，CCD7）、類胡蘿卜素裂解雙加氧酶8（carotenoid cleavagedioxygenase8，CCD8）以及細胞色素P450單加氧酶（cytochrome P450 monooxygen-ase，P450）。

合成過程：

目前SLs生物合成途徑已基本明晰，其合成過程發生在質體和細胞質中。質體中的合成過程涉及異構酶D27、CCD7和CCD8：D27首先將all-trans-β-carotene異構化為9-cis-β-carotene；CCD7裂解9-cis-β-carotene的C9′-C10′的雙鍵，使其生成9-cis-β-apo-10′-carotenal；CCD8進一步氧化裂解生成carlactone(CL)。隨后CL轉移至細胞質中，被CYP711A亞家族的MAX1(MOREAXILLARYGROWTH1)氧化生成carlactonoicacid(CLA)；CLA被催化生成不同結構的SLs。

在水稻中，CLA被OsCYP711A2催化生成4-deoxyorobanchol；在玉米、番茄中，CLA分別被ZmMAX1b、CYP722C催化生成orobanchol；在棉花中，CLA被CYP722C催化生成5-deoxystrigol。

目前已鑒定的植物 SLs 信號轉導相關基因包括

①D3(MAX2/RMS4)編碼F-box蛋白，參與蛋白泛素化降解過程，突變體材料包括水稻d3、擬南芥max2、豌豆rms4 等；②D14(AtD14)編碼α/β折疊水解酶超家族蛋白，突變體材料包括水稻d14、擬南芥Atd14 等；

③D53(SMXL6/7/8)編碼SCF-E3泛素連接酶復合物的底物蛋白(行使 SLs 信號抑制因子)，突變體材料包括水稻d53、擬南芥smxl6/7/8 等。

信號轉導過程：根據對擬南芥、水稻SLs的信號轉導機制研究發現 D14 是 SLs 的受體，其具有酶和受體的雙重功能。SLs與D14蛋白結合,被后者水解成 ABC環與 D環，ABC環被釋放，而D環留在D14結合口袋并形成中間體分子 CLIM ( covalently linked intermediate molecule)，CLIM 與D14 催化中心共價結合,導致 D14 發生顯著的構象變化并形成新的相互作用表面。隨后，D14CLIM招募D3及SCF復合體,進一步形成SCFD14復合體，SCFD14通過其D3蛋白特異性識別結合D53，然后經由泛素結合酶E2介導將D53多泛素化修飾,修飾后的D53被26S蛋白酶體降解，從而解除了 D53對SLs信號通路的抑制，促使下游基因轉錄，實現 SLs信號轉導。

獨腳金內酯的生物功能

獨腳金內酯不僅在植物根際起著信號調控的作用，還在植物的生長發育中也發揮著重要的作用。具體如下：

• 刺激寄生植物種子萌發：
  植物根部分泌的 SLs能夠促進寄生植物如列當、獨腳金等的萌發。

• 促進叢枝菌根真菌菌絲分枝：
  SLs通過促進菌絲分枝，有利于叢枝菌根真菌與植物有益共生關系的建立。

• 響應逆境脅迫：
  SLs 響應干旱和鹽脅迫，在磷酸鹽和硝酸鹽不足時，植物產生和釋放更多的SLs。

• 抑制植物側枝生長：
  SLs能抑制側芽生長以調節植物分枝，它在植物根和莖中合成、通過木質部向上運輸或在莖局部直接抑制分枝。作為生長素下游因子，SLs通過抑制頂端優勢的解除，從而調控側枝的生長發育。

• 獨腳金內酯與其他激素的交互作用：
  SLs與脫落酸(ABA)、生長素(IAA)和細胞分裂素(CK)等激素存在交互作用，可協同調控植物的分支、根系發育等。