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本文聚焦独脚金内酯（SLs），详细阐述其作为植物激素和根际信号分子，在调控植物生长、影响植物与微生物互作方面的作用。还探讨了 CRISPR/Cas9 技术对 SLs 通路的修饰应用，为农业可持续发展提供新思路，值得关注。
独脚金内酯合成与结构
独脚金内酯（SLs）在植物中不仅是根际的化感物质，还是一类新型激素，能调节植物内部生长发育。目前已鉴定出 30 多种结构不同的 SLs，但其产生原因和生化途径的复杂性仍不明确。利用转录组学和反向遗传技术，已揭示这些结构多样的 SLs 的完整生物合成途径。SLs 的首个已知激素功能是抑制枝条分支，凸显其作为独特植物激素家族，对植物生长发育诸多方面有重要影响。当释放到根际时，SLs 作为信号分子促进丛枝菌根真菌（AMF）生长，引发菌丝分支，但仅在宿主根附近可见。然而，根寄生杂草利用 SLs 定位宿主根，其种子在检测到环境中的 SLs 时才会萌发。部分植物如高粱、玉米和生菜，在缺氮时会产生并分泌 SLs，表明这些植物依赖 AMF 进行氮分配。近期研究发现，水稻的 SLs 途径和枝条分支可能受光合糖控制的昼夜节律整合器影响。
独脚金内酯在植物发育中的多种作用
SLs 是类胡萝卜素衍生的化合物，在调节植物众多生长和适应过程中发挥重要作用。当营养物质尤其是不可用形式较少时，SLs 可促进根发育。它还参与根发育、叶片衰老、枝条分支等生长过程。此外，SLs 作为植物产生的信号分子，具有双重作用：作为内源性激素调节植物发育，作为根分泌物成分建立植物与土壤微生物的共生关系。
研究发现，调节植物生长发育的过程涉及复杂的化学相互作用网络，植物激素在其中起关键作用。SLs 是一类后被发现和定义的植物激素，近期研究发现其有两个不同家族，一种具有独脚金立体化学结构，另一种具有列当属立体化学结构，后者在自然界中更为普遍。SLs 最著名的生物学特性是促进寄生杂草种子（如独脚金和列当）的成熟。在植物生理学领域，SLs 对植物发育的作用日益重要。植物激素（如 SLs）负责控制植物生长，以及植物与根微生物之间的相互作用。在拟南芥和水稻中，SLs 存在时，DWARF14（D14）、MORE AXILLARY development 2（MAX2）、Silencer of MAX2-LIKE（SMXL6、SMXL7 和 SMXL8）等蛋白质及其同源物形成复合物，发挥重要作用。SLs 参与植物的多个生理过程，包括促进寄生植物种子萌发、与 AMF 建立共生关系、抑制植物枝条分支、控制作物生长和提高作物在胁迫环境下的适应性等。
独脚金内酯与其他植物激素的相互作用：信号交互
SLs 与生长素（auxin）存在信号交互，内源性生长素与其他激素共同调控植物生物学过程。研究表明生长素可调节 SL 生物合成，其可能作为生长素依赖性反应的第二信使。生长素通过上调编码 CCD7 和 CCD8 的基因来控制枝条分支，但生长素在 SL 通量和运输中的作用尚不清楚，且其与 SLs 在 AM 和根瘤菌共生过程中的相互作用也不明确。SLs 还能刺激 AMF 孢子的菌丝分支，这是宿主植物根与 AMF 建立连接过程中的关键步骤。
SLs 与其他植物激素（如脱落酸（ABA）、细胞分裂素（CK）和赤霉素（GA））的信号交互，是其调节植物生长发育的主要机制。SLs 在塑造植物结构方面发挥重要作用，与 ABA 共同帮助植物适应具有挑战性的环境，它们的结构相似性暗示了两者形成之间可能存在联系。在侧根起始受到干扰后，SL 信号可能与根尖的生长素不稳定性协同作用。研究还发现 SLs 与油菜素内酯（BR）信号通路存在信号交互，相关研究正在深入进行。虽然 SLs 在植物生理和发育过程中参与众多重要过程，但其控制叶片衰老的具体机制仍不清楚，不过已有大量研究表明，SLs 与其他植物激素之间的相互作用对植物生长发育的控制至关重要，且 SLs 还有许多功能有待进一步发现。
CRISPR-Cas9 在独脚金内酯研究中的应用
CRISPR-Cas9 在独脚金内酯遗传和遗传假设中的影响
CRISPR（成簇规律间隔短回文重复序列）系统等基因组编辑方法可实现对植物基因组的精确改变，从而提高作物性能，为提高植物产量和保障粮食安全开辟道路。植物遗传学家对一些独特变体产生兴趣，并致力于培育无转基因品种以确保生物安全。在水稻中，利用 CRISPR/Cas9 技术破坏调控 SL 生物合成关键步骤的 CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 7（CCD7）基因，ccd7 突变体分蘖显著增加，植株高度降低，且该变化可通过使用合成 SL 类似物 GR24 逆转。通过 striga 萌发实验和液相色谱质谱分析发现，ccd7 突变体的根分泌物中也缺乏 SLs。这证明了 CRISPR/Cas9 技术在靶向植物结构编辑和揭示植物结构特征分子基础方面的可行性和实用性，同时也表明对其他 SL 合成基因进行编辑以及微调 SL 水平，可能会改变多种作物的植物结构，从而提高产量和抗性。
CRISPR-Cas9 技术在修饰独脚金内酯生物合成途径中的应用
CRISPR/Cas9 基因组编辑系统是植物生物技术中的变革性工具，可对植物基因组进行精确修饰以增强理想性状。在 SL 生物合成方面，它为剖析控制 SL 产生、调节和功能的遗传机制提供了有效途径，为可持续农业开辟了新方向。通过 CRISPR/Cas9 介导的基因敲除改变 SL 产生，可根据农业需求增强或减少植物特定生长性状。例如，在水稻中敲除 CCD7 或 CCD8 基因，可增加分蘖并降低植株高度，这有利于提高生物量生产和作物产量；降低植株高度还能减少作物倒伏风险，提高收获效率。此外，CRISPR/Cas9 技术可对 SL 生物合成途径进行微调，在不同组织或特定环境条件下选择性地修饰 SL 水平，有助于深入理解控制 SL 产生的调控机制及其在植物生长、发育和应激反应中的广泛影响。
靶向独脚金内酯生物合成中的关键基因
SLs 是通过复杂生物合成途径合成的类胡萝卜素衍生植物激素，其中 CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGENASE 7（CCD7）和 CCD8 在 SL 生物合成早期阶段起核心作用。利用 CRISPR/Cas9 技术在水稻等作物中成功敲除 CCD7 和 CCD8 基因，导致植物结构发生显著改变，包括分蘖增加和植株高度降低。这些变化不仅提高了生物量生产，还为研究 SL 水平的调节及其对作物生产力的影响提供了思路。通过策略性地修饰 SL 水平，可优化植物的根结构和枝条发育，使其更好地适应各种环境条件。在营养贫瘠的土壤中，增强 SL 信号可促进更深更广泛的根系生长，提高植物对水分和养分（尤其是磷）的吸收能力，同时促进与有益微生物（如 AMF）的共生关系，进一步帮助植物吸收养分；在易发生倒伏的地区，调节 SL 生物合成以减少过度分蘖和控制植株高度，可提高作物的结构完整性，优化根冠平衡，从而在面临干旱或降雨不均等环境压力时，维持作物的生产力。此外，在面对日益不可预测的气候条件（如极端温度和土壤盐碱化）时，调节 SL 水平可帮助作物更有效地适应环境。
调节独脚金内酯水平以控制寄生杂草
寄生杂草（如独脚金和列当）是农业生产中的重大挑战，它们检测宿主植物根分泌的 SLs 来触发萌发。利用 CRISPR/Cas9 技术编辑 SL 生物合成基因，可减少 SLs 分泌，从而降低寄生杂草的侵扰。例如，破坏 CCD7 或其他下游酶可显著降低根分泌物中的 SL 水平，减少独脚金的萌发，同时不影响植物的整体健康。
增强与有益微生物的共生相互作用
SLs 在与 AMF 建立共生关系中起关键作用，AMF 有助于植物吸收养分，尤其是在营养缺乏的条件下。利用 CRISPR/Cas9 技术微调 SL 生物合成，可增强植物与有益微生物的相互作用。通过精确调节 SL 浓度，植物可优化与 AMF 的共生效率，提高磷和氮的吸收能力，增强对压力的耐受性。此外，靶向编辑可平衡 SL 水平，促进 AMF 定植，同时降低寄生杂草的风险。
设计植物结构和增强抗逆性
SLs 可调节枝条分支、根结构以及植物对非生物胁迫（如干旱和营养缺乏）的反应。利用 CRISPR/Cas9 技术对 SL 生物合成和信号通路进行修饰，可培育出具有改良结构和增强抗逆性的作物。例如，改变 SL 信号成分（如 D14、MAX2 或 SMXL 蛋白）可导致定制的植物生长模式和应激反应。此外，通过靶向 SL 生物合成基因的调控元件，研究人员可实现组织特异性或应激诱导的表达模式，进一步优化植物的适应性。
探索独脚金内酯异构体特异性和功能多样性
SLs 存在多种结构异构体，每种异构体可能引发不同的生物学反应。利用 CRISPR/Cas9 技术可通过选择性编辑负责 SL 多样化的酶（如 LATERAL BRANCHING OXIDOREDUCTASE（LBO）），创造出产生特定 SL 异构体的植物。在拟南芥中，使用 CRISPR/Cas9 敲除或修饰 LBO，可影响产生的 SL 异构体类型，导致 SL 异构体谱发生变化，进而改变植物的分支模式和微生物相互作用。这种方法可用于创造具有特定 SL 异构体谱的植物，促进有益微生物相互作用或抑制寄生杂草生长。寄生杂草对特定 SL 异构体高度敏感，利用 CRISPR/Cas9 技术工程化植物产生特定 SL 异构体，可操纵对这些寄生杂草的信号传递，在不影响与菌根真菌的积极相互作用的情况下，减少寄生杂草的吸引。在豆科植物中，SLs 参与菌根共生，通过 CRISPR/Cas9 技术选择性地产生特定 SL 异构体，可增强这种共生相互作用，提高植物的养分吸收效率，从而提高作物产量和可持续性。在应对环境胁迫（如干旱或营养缺乏）时，通过编辑参与 SL 生物合成的基因，可微调作物（如玉米和水稻）的 SL 产生，优化植物在胁迫条件下的生长，增强与土壤微生物群落的有益相互作用，减少对化肥的依赖，提高作物的抗逆性。在氮固定方面，独脚金内酯异构体影响豆科植物的根瘤形成，在水稻等非豆科作物中也发挥作用。通过操纵 SL 生物合成途径，可创造出促进根际固氮细菌的水稻植株，改善土壤健康，提高水稻种植中的氮利用效率。在大豆中，编辑参与 SL 生物合成的基因，可创造出促进根分支或结瘤的植株，优化根系以更好地吸收养分，同时减少寄生杂草的吸引。在小麦中，修饰 SL 生物合成可影响枝条生长和分蘖，提高收获指数和谷物产量，同时影响根际相互作用，增加有益微生物活性，减少寄生植物的负面影响。
独脚金内酯异构体研究中的特异性
在研究 SLs 的生物学活性时，应优先使用纯的、特定的异构体，而非外消旋混合物。SLs 在植物生长调节、根发育和共生关系中发挥重要作用，其生物学效应高度依赖异构体。研究表明，即使 SL 异构体的化学结构存在细微差异，也会导致其活性变化。早期研究多使用 SLs 的外消旋混合物，而近期研究聚焦于单个异构体，发现它们对植物生长和与菌根真菌的相互作用有不同影响。例如，合成 SL 类似物 5-Deoxystrigol 和 GR24 的异构体在拟南芥和蒺藜苜蓿中表现出不同程度的根刺激作用。这些研究强调了在实验设计中仔细选择特定异构体的重要性，以避免误导性解释，确保结果的可重复性。这一发现对基于 SLs 的农用化学品或农业应用的开发具有深远意义，若使用外消旋混合物或未鉴定的异构体，可能无法充分发挥 SLs 的潜力，如增强作物对害虫的抗性、调节植物生长或优化与有益真菌的共生关系等。
独脚金内酯异构体的不同生物学活性
SLs 是一类多样的植物激素，其生物学活性高度依赖于立体化学结构。不同的 SL 异构体具有不同的功能，影响植物发育、共生关系和与寄生植物的相互作用。天然独脚金内酯（也称为经典 SLs）由植物产生，具有特定的立体化学构型，决定其生物学作用。例如，独脚金醇是寄生植物（如独脚金和列当）的强效萌发刺激剂，同时在促进 AMF 定植方面也起关键作用；列当醇不仅有助于 AMF 共生，还作为枝条分支的关键抑制剂，有助于控制植物结构；5-Deoxystrigol 是触发寄生种子萌发的最活跃 SLs 之一，同时调节根结构，增强植物获取养分的能力；Solanacol 以其强烈的刺激 AMF 定植和调节侧根发育的能力而闻名；Sorgolactone 在促进独脚金种子萌发和调节高粱等作物的枝条分支方面发挥双重作用。
除天然 SLs 外，合成类似物（如 GR24）常用于实验研究。但 GR24 通常作为外消旋混合物使用，包含 (+)-GR24 和 (?)-GR24 异构体，它们具有不同的生物学活性。(+)-GR24 异构体模拟天然 SLs 的立体化学结构，可有效促进 AMF 共生并抑制拟南芥等植物的枝条分支；而 (?)-GR24 异构体的生物学活性通常较低或不同，若不考虑异构体特异性，可能导致实验结果不一致或产生误导。另一种合成类似物 GR5 缺乏天然 SLs 中典型的 D 环，但仍可影响某些 SL 响应途径，尽管活性较弱，可用于剖析 SL 信号机制。SL 异构体的特异性活性具有重要的生物学和生态学意义，在植物发育、共生关系和农业实践中均发挥重要作用。了解不同异构体的作用，有助于设计针对性策略控制寄生杂草，同时确保在研究和应用中使用纯 SL 异构体，以准确解释结果，促进基于 SLs 的农业应用发展。
整合 CRISPR-Cas9 与先进组学和合成生物学
将 CRISPR/Cas9 与转录组学、代谢组学和蛋白质组学相结合，可全面了解 SL 生物合成及其对植物生理学的广泛影响。合成生物学方法可进一步利用 CRISPR/Cas9 构建合成 SL 途径或引入新的生物合成路线，生产具有增强生物活性或特定生态影响的 SL 类似物，为开发适应特定农业环境的下一代作物铺平道路。然而，充分利用 CRISPR/Cas9 技术修饰 SL 途径仍面临挑战，如脱靶效应、监管问题以及 SL 信号网络的复杂性等，需要仔细考虑。未来研究应聚焦于开发精确的基因编辑策略、探索 SL 生物合成中的自然遗传多样性，并利用多重 CRISPR/Cas9 方法同时靶向 SL 途径中的多个基因。
植物和土壤微生物对独脚金内酯的需求
植物激素（尤其是 SLs）在调节植物生长发育方面起关键作用，可抑制过度萌芽和分支。最早的殖民者在数亿年前带来了共生生物，菌根真菌可与某些苔藓（非维管陆地植物）建立共生关系，但 SLs 在这些相互作用中的作用仍不确定。AMF 细胞能够检测环境中的 SLs，有趣的是，一些芽孢杆菌属物种虽缺乏已知的检测 SLs 的 D14 型蛋白，但能产生与植物中相似的蛋白质。植物与真菌的共生关系对生物系统的健康非常重要，需要更多研究。“菌根” 是指生物与植物之间的有益关系，细菌常定植在植物根系，改善植物保留水分和其他养分的能力。植物通过光合作用为生物提供碳水化合物，菌根生物保证特定生物产生的植物生长。已发现七种不同形式的菌根寄生虫，外生菌根和丛枝菌根寄生虫是其中两种类型。AMF 生物包括石松类、木贼类、植物、裸子植物和被子植物。
SLs 对微生物群落（尤其是根际微生物群落）有显著影响，它可作为多功能信号分子，通过促进有益共生、影响微生物多样性和调节植物免疫反应来塑造微生物群落。其作为共生促进剂和寄生植物萌发触发剂的双重作用，凸显了其复杂的生态功能。近期研究表明，SLs 在塑造根相关微生物群落方面发挥重要作用。在拟南芥中，SLs 影响根际微生物组的组成，影响细菌和真菌种群；在水稻中，不同基因型的 SL 分泌差异改变了根相关细菌和真菌的招募，表明 SLs 在调节植物 - 微生物相互作用中起关键作用；SLs 还可改变 AMF 之间的竞争动态，影响它们的定植模式和与宿主植物的相互作用。这些发现强调了 SLs 对微生物群落的多方面影响，涉及共生关系、微生物多样性和植物整体健康。
AMF 还帮助植物从土壤中获取养分（如磷（P）、硫（S）和其他微量营养素），植物则依赖这些生物进行碳消化。AMF 还可用于植物修复。高等植物与微生物之间最著名且对环境有益的关联是 AM 与独脚金植物根的附着，但生物体识别植物接近程度的机制尚不清楚。研究发现，根产生的有益因子（BF）可促进 AM 生物孢子萌发期间的菌丝分支，莲花的 BF 中的活性成分被确定为 SLs。SLs 还可帮助寄生植物（如独脚金和列当）萌发，系统发育距离较远的 AM 物种 Glomus intraradices
