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南开大学席真教授团队研究发现独脚金内酯激动剂/拮抗剂在农业生产中表现出了极大的应用前景

花匠小妙招
2025-05-19 20:26

植物能够产生和释放多种次生代谢物到环境中。非生物和生物胁迫通过促进或抑制相关生物合成通路进而影响代谢物的成分和含量。独脚金内酯(strigolactones) 是一类典型的信号分子。独脚金醇(strigol)是最早发现的独脚金内酯类化合物，其在1966年从棉花的根系分泌物中被分离出来，并被证实能够促进独脚金(Striga hermonthica)和列当(Orobanche)种子的萌发。随后，不同结构类型的独脚金内酯类化合物从多种植物中被分离出来。在2005年，独脚金内酯被发现能够促进根丛枝菌真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)的生长及与寄主植物的共生效应。最近的发现也表明，独脚金内酯是一类重要的植物激素能够调节植物生长发育的多个方面。独脚金内酯丰富的生物学功能极大地激发了其在农业生产中的潜在应用。每株植物仅释放微量(通常pg级)独脚金内酯类化合物到土壤中，由于稳定性较差，这些化合物很快在根际被分解掉。因此，天然的独脚金内酯类化合物并不能直接应用到实际的农业生产中。

2022年9月29日，在农业化学领域专业期刊《Advanced Agrochem》期刊上发表了一篇题为《独脚金内酯激动剂/拮抗剂在农业中的应用: 新的机遇》的综述论文(https://doi.org/10.1016/j.aac.2022.09.002)，文章的通讯作者为南开大学农药国家工程研究中心(天津)的席真教授和王大伟副研究员。

在该综述中，作者首先对独脚金内酯及其作用机制进行了介绍。接着，阐述了独脚金内酯激动剂及其在可持续农业发展中的潜在应用。随后，概述了独脚金内酯抑制剂/拮抗剂及其在农业生产中的潜在应用。最后，介绍了代表性的独脚金内酯激动剂/拮抗剂的合成方法。此外，作者也对独脚金内酯激动剂/拮抗剂在农业生产中应用所面临的挑战进行了总结，并给出了相应的展望。

一、独脚金内酯及其作用机制

独脚金内酯是一类广泛存在于种子植物中的萜类化合物。到目前，已经有30多种独脚金内酯从不同的植物中被分离出来。根据结构特征，这些化合物可以进一步分为经典型和非经典型独脚金内酯化合物。经典的独脚金内酯都含有ABCD四环体系，其中C和D环之间通过烯醇醚键进行连接，并且D环上2’C原子都是R构型。非经典的独脚金内酯分子中缺失了ABC环中的1个或2个环。所有天然独脚金内酯类化合物的2’C原子都是R构型，对于这一现象，目前尚未合理的解释。

代表性的天然独脚金内酯的结构

独脚金内酯的识别目前认为是通过Ser97上的O原子进攻D环上的5¢C途径完成。反应所形成的共价连接中间体(CLIM)被认为是诱导独脚金受体蛋白构象变化并与下游蛋白相互作用的关键诱导因子。此外，我们也发现对于人工合成的独脚金内酯激动剂，其可能是通过His247参与的SN2机制被受体蛋白所识别。独脚金内酯被受体蛋白识别后所形成的CLIM中间体可诱导受体蛋白构象发生变化并与D53/MAX2-SCF结合。所形成的复合物能够进一步强化受体蛋白构象的变化，促进D53蛋白的泛素化。并最终导致D53和受体蛋白的降解以及信号的传导。

独脚金内酯的信号识别机制和信号传导途径

二、独脚金内酯激动剂及其在可持续农业发展中的潜在应用

独脚金内酯在农业生产中的潜在应用主要体现在以下四个方面：

(1) 独脚金和列当种子一旦萌发后不能及时寄生到寄主根上就会死亡。因此，可以通过采用“自杀式萌发”的策略，消减土壤中的独脚金和列当种子库，从而达到防治根寄生杂草的目的。

(2) 独脚金内酯激动剂可以促进根丛枝菌真菌菌丝的生长以及与宿主的共生效应，有利于植物从土壤中吸收更多的营养和水分。

(3) 调节植物地上和地下部分形态，包括抑制分枝、促进节间伸长和长高、控制茎的二次生长、影响叶子的形状和块茎的形成，生殖器官的大小和控制开花时间等。

(4) 调节植物对生物和非生物压力的响应，增加作物产量。

由于天然的独脚金内酯获取困难，不能直接用于农业生产中。为了获得合成成本低，稳定性提高同时兼顾高活性的独脚金内酯激动剂，需要对天然的独脚金内酯进行结构修饰。构效关系研究结果表明，在A环上修饰对化合物的活性影响并不大，B和C环之间的8aC手性对化合物的活性影响较大，C和D环之间的烯醇醚桥键并不是必不可少的结构单元，D环上的2’C的手性同样会显著影响化合物活性，在D环5’C上引入甲基对活性最有利。

此外，D环结构已经被证实是维持独脚金内酯类化合物活性的最小药效团结构。基于此，含有烯醇醚D环结构的激动剂被统称为独脚金内酯类似物，分子中D环结构不与烯醇醚相连的化合物被称为独脚金内酯模拟物。通常情况下，独脚金内酯类似物的活性要优于独脚金内酯模拟物的活性。由于独脚金内酯类似物/模拟物中都含有D环结构，导致这些化合物的稳定性并不高。虽然近年来也发现了一些稳定性高，不能够被受体蛋白水解的化合物。但是，这些化合物的活性仍需进一步提高。

独脚金内酯类似物和模拟物的设计策略

三、独脚金内酯抑制剂/拮抗剂及其在农业生产中的潜在应用

独脚金内酯抑制剂能够抑制独脚金内酯生物合成途径。独脚金内酯拮抗剂能够结合在独脚金受体蛋白结合口袋，从而阻止独脚金内酯的结合和受体构象的变化。独脚金内酯拮抗剂可以抑制根寄生性杂草如独脚金和列当种子的萌发。由于该类型化合物稳定性高，在田间存在着一定的应用潜能。

代表性独脚金内酯抑制剂和拮抗剂的结构

四、独脚金内酯激动剂/拮抗剂的合成方法

对于受体蛋白水解型的独脚金内酯，其合成的关键是构建D-OH结构。目前，虽然文献中报道了多种构建D环结构的方法，但这些方法的合成收率并不高，不能用于大规模的独脚金内酯生产。此外如何选择性构建与天然独脚金内酯类化合物具有相同D环构象(R-2’C)的独脚金内酯激动剂是合成的一个难点。由于独脚金内酯拮抗剂分子中不含有D环结构，该类化合物的合成方法通常比较简单，一旦发现了高活性独脚金内酯拮抗剂，将会极大的推进独脚金内酯的实际应用。