撰文 | 无言
责编 | 王一
丁烯酸内酯是一类含有一个四碳杂环的非饱和内酯。已知的植物激素独角金内酯 （Strigolactones, SLs） 就是一类由类胡萝卜素衍生而来的丁烯酸内酯。SL在调控植物分枝，根系结构，土壤分支真菌共生以及专性寄生植物独角金种子萌发等生长及发育过程中起重要作用 【1】 。说到SL，就不能不介绍另一种调节植物生长发育的小分子化合物，Karrikin。同样是丁烯酸内酯， Karrikin和SL具有不同的生物学功能，但又存在很多相似性。首先，SL由植物内源合成，而Karrikin是一类由植物组织燃烧产生的烟雾中分离的化合物，目前没有证据显示植物可以内源合成Karrikin。其次，SL和Karrikin同被一类α/β-水解酶受体蛋白识别，其中SL受体为DWARF14 (D14) 【2】 ，而Karrikin的受体为D14的同源蛋白KARRIKIN INSENSITIVE 2 （KAI2） 。第三，二者与其各自受体的结合都能激活下游的F-box蛋白MORE AXILLARY BRANCHES 2 (MAX2，在水稻中也叫做DWARF3) ，但Karrikin-KAI2激活的MAX2靶向并降解下游抑制蛋白SUPPRESSOR-OF-MAX2-1 (SMAX1) 来主要调控植物种子萌发和光形态建成；而SL-D14激活的MAX2靶向并降解一组SMAX1的同源蛋白SMAX1-LIKE (SMXLs， 在水稻中叫做DWARF53) 从而引起植物SL响应 【1,3,4】 。
作为近年来才开始被深入认识的信号通路 【5,6】 ，SL与受体的结合始终是研究的热点。围绕信号是如何往下传递，是受体的蛋白结构变化还是SL的水解？不同研究者根据自己的实验结果提出了不同的模型。同样，对于Karrikin与其受体KAI2的结合以及信号传导的起始，目前也并没有统一的结论。由于目前在植物体中并没有发现Karrikin及其合成途径的存在，加上对拟南芥kai2突变体的研究显示该突变体与用Karrikin处理过的野生型植株具有相反的表型，暗示可能有一个内源的与Karrikin类似KAI2配体存在，该化合物应该具有一个丁烯酸内酯结构 【7】 。但到目前为止，该化合物还并没有被研究者没正式发现。
图一：常见的人工合成SL类似物GR24【3】以及Karrikin【4】的化学结构。
一般用到的GR24是两种旋光异构体的等量混合。KAR1和KAR2是实验室中常用的两种Karrikin。
近日，New Phytologist发表了题为Desmethyl butenolides are optimal ligands for karrikin receptor proteins的研究论文。该研究利用生物化学结合分子生物学方法，通过检测化合物-受体结合，基因表达，蛋白表达，酵母双杂交并结合植物表型研究了两种GR24旋光异构体 (GR245DS 与GR24ent-5DS) 以及其相应的去甲基化合物 (dGR245DS与dGR24ent-5DS) 与Karrikin受体KAI2的结合与催化特征及其生物学功能。作者提出了KAI2配基应该具有去甲基化的丁烯酸内酯结构的观点。
图二：《新植物学家》杂志截图
SL的丁烯酸内酯环有一个甲基基团，该甲基基团的存在对SL发挥生物学功能是至关重要的。相比而言，丁烯酸内酯环上存在与不存在甲基基团的Karrikin都具有一定的生物学功能。作者发现， KAI2蛋白对于去甲基化的丁烯酸内酯最为敏感。通过对拟南芥kai2，d14以及双突变体的遗传及下胚轴表型分析表明植株对去甲基化GR24的响应是依赖于KAI2基因的。酵母双杂交实验表明去甲基化GR24特异性增强KAI2与SMAX1蛋白的相互作用；而D14与SMXL7之间的相互作用只能特异性被原生GR24增强。基因表达水平上，SL和Karrikin通路的标记基因DLK2的表达也呈现出 dGR24ent-5DS 对KAI2蛋白的依赖性以及 GR245DS 对D14蛋白的依赖性。利用验证受体-配基结合的DSF实验 (Thermal Shift Assay) ，作者在生化水平上确定了这两种结合的特异性。在进化水平上，作者又验证了江南卷柏以及地钱的KAI2蛋白对于dGR24ent-5DS的特异性。
总的来说，该研究从体外和体内层面都表明，去甲基化丁烯酸内酯相对于其各自原生化合物来说是更有效的KAI2配体。并且KAI2蛋白对于去甲基化丁烯酸内酯化合物的偏好性在进化上更古老的物种中也是保守的，说明这可能是在陆生植物进化中保留下来的祖先性状。该研究也进一步证实了目前普遍被认可的KAI2和D14蛋白的内源底物具有不同化学结构的观点。为两个同源受体蛋白的底物结合机制提供的进一步的研究基础。
图三：KAI2与D14底物结合特异性分析
对于受体底物的鉴定并不是一项容易的工作，该研究对进一步了解KAI2受体蛋白底物的化学结构提供了新的线索，为今后的化合物设计和筛选提供了结构基础。但在实验设计上，似乎功能验证稍有不足。KAI2的功能之一是促进种子萌发，如果能在种子萌发上提供更多的功能验证，可能会更有说服力。另外，该研究中只用了GR24的两种旋光异构体以及各自对应的去甲基化合物，有可能对受体蛋白的选择性产生限制。因为GR24分子本身稍大，对于KAI2蛋白的结合空间可能并不友好。进一步的实验可以考虑以本研究确定的结构为基础扩大化合物基数， 或从已知的植物代谢产物中挑选，或采用人工设计合成，亦或者利用化学生物学手段进行大规模化合物筛选。
参考文献
【1】 Waters MT, Gutjahr C, Bennett T, Nelson DC. (2017) Strigolactone Signaling and Evolution. Annual Review of Plant Biology 68(1), 1-31.
【2】 Ruifeng Yao, et. al. (2016) DWARF14 is a non-canonical hormone receptor for strigolactone. Nature 536, 469-473.
【3】 Shelley L, Subha A, McCourt P. (2017) Found in Translation: Applying Lessons from Model Systems to Strigolactone Signaling in Parasitic Plants. Trends in Plant Science 42(7), 556-565.
【4】 Guo YX, Zheng ZY, La Clair J, Chory J, Noel JP. (2013) Smoke-derived karrikin perception by the α/β-hydrolase KAI2 from Arabidopsis. PNAS 110(20), 8284-8289.
【5】 Feng Zhou, et. al. (2013) D14–SCFD3-dependent degradation of D53 regulates strigolactone signalling. Nature 504, 406-410.
【6】 Liang Jiang, et. al. (2013) DWARF 53 acts as a repressor of strigolactone signalling in rice. Nature 504, 401-405.
【7】 Conn CE, Nelson DC. (2016). Evidence that KARRIKIN-INSENSITIVE2 (KAI2) Receptors may Perceive an Unknown Signal that is not Karrikin or Strigolactone. Frontiers in Plant Science 6: 1219.
论文链接：
https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.17224
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