Science | 独脚金内酯激动剂防治杂草，或对农业生产意义重大

独脚金（Striga hermonthica）是一种寄生杂草，对玉米、高粱、大豆和番茄等作物具有破坏性，严重影响作物产量【1】。独脚金种子的萌发依赖于宿主产生的小分子激素独脚金内酯（SLs）。独脚金是一种专性寄生植物，在没有宿主的情况下发芽后会死亡。由此，在作物种植前，可以诱导独脚金种子萌发，造成“自杀式”萌发，以此清除独脚金。因此，开发一种对独脚金种子萌发起作用并且不影响作物正常发育的独脚金内酯激动剂或许是一种有效的独脚金杂草防治策略。

紫色独脚金（图源：wikipedia）

2018年12月14日，来自名日本古屋大学的研究团队在Science在线发表了一篇题为 A femtomolar-range suicide germination stimulant for the parasitic plant Striga hermonthica 的研究论文，该研究开发了一种选择性独脚金内酯激动剂，该激动剂可以在飞摩尔（femtomolar）范围内起作用，诱导独脚金种子“自杀式”萌发，有效减少独脚金的寄生，而不会影响宿主体内独脚金内酯相关的生理过程。

独脚金内酯（strigolactone，SL）新发现的植物激素，参与调控植物分枝等生长发育过程【2,3】。天然SLs分子都是萜类小分子化合物，包含一个三环内酯（ABC环）和一个单环内酯（D环）。在植物中，DWARF14 (D14) 是SL的受体【4】。在独脚金中，SLs激活种子萌发通过受体HYPOSENSITIVE TO LIGHT/KARRIKIN INSENSITIVE2 (ShHTL/KAI2, “ShHTLs”) 实现【5】。在这些ShHTL受体中，ShHTL7对SL最为敏感，当在拟南芥中异源表达时，ShHTL7可以感知皮摩尔水平的SLs，并且ShHTL7在结构上具有较大的结合口袋，可以确保对不同的分子的响应【6】。 由此可见， ShHTL7是开发刺激独脚金种子萌发激动剂的一个合适靶标。

在这项研究中，研究人员通过化学筛选，开发了一种选择性独脚金内酯激动剂，sphynolactone-7 (SPL7)。SPL7含有两个衍生自合成支架和独脚金内酯核心成分的功能模块，作为天然SL的ABC部分和D环部分。SPL7与ShHTL7具有高亲和力，可以在飞摩尔浓度范围内激活ShHTL7，刺激独脚金种子的萌发。

SPL7作用模式

进一步研究发现，SPL7不具有激素作用，例如，不影响拟南芥中分枝或根毛伸长。SPL7也几乎不影响土壤AM真菌菌丝分枝。 SPL7对ShHTL7具有高亲和力，而其对拟南芥中的独脚金内酯受体D14的亲和力非常低。 因此，激动剂SPL7仅对独脚金起明显作用，不影响土壤微生物以及宿主作物独脚金内酯信号传递。最后，该研究表明，SPL7可诱导土壤中独脚金种子的“自杀式”萌发，从而使随后播种的玉米免遭独脚金的危害。

SPL7的作用效果。左图：土壤用DMSO 或10 nM of SPL7处理；黄色箭头：独脚金。右图：土壤用DMSO 或10 nM of SPL7处理后种植的玉米；黄色箭头：独脚金。

总之，这是一项有意义和有意思的工作。该研究为独脚金内酯选择性激动剂的设计提供了一种思路，同时也为其它有害杂草的防治提供了借鉴。

参考文献

1. Yoshida, Satoko; Maruyama, Shinichiro; Nozaki, Hisayoshi; Shirasu, Ken (28 May 2010). "Horizontal Gene Transfer by the Parasitic Plant Stiga hermonthica". Science. 328 (5982): 1128.

2. Umehara, M., Hanada, A., Yoshida, S., Akiyama, K., Arite, T., Takeda-Kamiya, N., Magome, H., Kamiya, Y., Shirasu, K., Yoneyama, K., Kyozuka, J. & Yamaguchi, S. (2008) Inhibition of shoot branching by new terpenoid plant hormones. Nature 455, 195-200.

3. Gomez-Roldan, V., Fermas, S., Brewer, P. B., Puech-Pages, V., Dun, E. A., Pillot, J. P., Letisse, F., Matusova, R., Danoun, S., Portais, J. C., Bouwmeester, H., Becard, G., Beveridge, C. A., Rameau, C. & Rochange, S. F. (2008) Strigolactone inhibition of shoot branching. Nature 455, 189-194.

4. Yao, R., Ming, Z., Yan, L., Li, S., Wang, F., Ma, S., Yu, C., Yang, M., Chen, L., Chen, L., Li, Y., Yan, C., Miao, D., Sun, Z., Yan, J., Sun, Y., Wang, L., Chu, J., Fan, S., He, W., Deng, H., Nan, F., Li, J., Rao, Z., Lou, Z. & Xie, D. (2016) DWARF14 is a non-canonical hormone receptor for strigolactone. Nature 536, 469-473.

5. C. E. Conn, R. Bythell-Douglas, D. Neumann, S. Yoshida, B. Whittington, J. H. Westwood, K. Shirasu, C. S. Bond, K. A. Dyer, D. C. Nelson, Convergent evolution of strigolactone perception enabled host detection in parasitic plants. Science 349, 540–543 (2015).

6. S. Toh, D. Holbrook-Smith, P. J. Stogios, O. Onopriyenko, S. Lumba, Y. Tsuchiya, A. Savchenko, P. McCourt, Structure-function analysis identifies highly sensitive strigolactone receptors in Striga. Science 350, 203–207 (2015).

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