化学生物学是一门新兴的交叉学科，其主要内涵就是利用化学手段，特别是化学小分子探针来研究生物体系的功能。与生物学家常用的遗传学手段相比，化学生物学的特点是可以以不同时间、不同剂量和进行可逆操作的方式来检测特定蛋白质的功能的手段。
植物激素是植物生长发育过程中必不可少的重要调节物质，它们直接或间接参与调控植物从种子萌发到成熟的各个发育阶段、以及植物对各类生物/非生物胁迫的响应。化学生物学的思路与方法在植物激素研究领域中起到了不可替代的作用，尤其是在激素合成及信号转导研究领域。本文总结了脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、生长素（IAA）、细胞分裂素（CDK）、乙烯（ET）、独脚金内脂（SLs）、茉莉酸（JA)七大植物激素的小分子类似物，概述了这些小分子类似物在植物生长发育和生物/非生物逆境响应等方面的作用机制，并讨论了这些类似物在实际生产中的应用潜力及未来研究方向。
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脱落酸类似物及其分子功能1.1Pyrabactin
利用化学遗传学方法合成了一种名为pyrabactin的生长抑制剂,其具有脱落酸(abscisicacid,ABA)激动剂的效应,这是第一个人工合成的ABA类似物(Parketal.,;Maetal.,)。通过对pyrabactin的研究,鉴定出ABA受体蛋白家族PYR/PYL/RCAR(简称PYLs)(Parketal.,)。ABA与PYLs受体、PP2C(Type2Cproteinphosphatase)形成PYLs-ABA-PP2C复合体,从而抑制PP2C活性、并激活SnRK2(Sucrosenon-fermenting1-relatedproteinkinase2)激酶活性,最终激活下游基因,使ABA信号向下传递(Melcheretal.,;Soonetal.,)。
Pyrabactin是一种以磺胺为基础的激动剂,与ABA没有化学结构上的相似性,但在功能上二者却极其相似(Zhaoetal.,;Parketal.,)。Pyrabactin能够与PYL受体特异结合,使PYR1与下游效应分子的蛋白间相互作用,从而抑制种子萌发和下胚轴生长(Nishimuraetal.,;PuliandRaghavendra,;Yangetal.,)。Pyrabactin还可以通过介导气孔运动和维持植物体水分平衡,调节水分亏缺相关的胁迫面,pyrabactin能够识别气孔保卫细胞及其他植物组织中ABA相关信号,并通过ABA-PYL-PP2C复合物激活ABA反应激酶,随后保卫细胞pH上升,NADPH氧化酶活性增强,活性氧、NO水平升高(Kimetal.,;PuliandRaghavendra,);另一方面,pyrabactin能够激活质膜水通道蛋白基因(ZmPIP)的表达,显著增加ZmPIP2;1/2;2蛋白含量,提高根系的导水率,维持植物体内特别是根系的水分平衡(Fanetal.,)。在大田实际应用中,pyrabactin不仅可以作为豌豆种子胎萌抑制剂,也可以作为抗蒸腾剂,提高作物的耐旱性(PuliandRaghavendra,)。
虽然pyrabactin具有高稳定性和低成本的特点,但其生理活性和功能作用仍然不如天然ABA(Petersonetal.,;Caoetal.,;Fanetal.,)。因此,在pyrabactin结构的基础上,科学家继续开发了其他具有更强ABA活性的类似物,以应用于农业生产(Caoetal.,;Caoetal.,;Vaidyaetal.,a)。
1.2AM1
根据激活ABA受体的能力及类ABA功能检测,筛选出一种人工合成的ABA类似物AM1(ABAmimc1)(Caoetal.,),又被称为quinabactin(Okamotoetal.,)。AM1同样属于磺胺类化合物,具有和pyrabactin相似的稳定结构(Caoetal.,)。但AM1拥有比pyrabactin更强的ABA激动效应,能够高效结合ABA受体(Caoetal.,;Okamotoetal.,)。
AM1能够调控参与ABA信号转导的一系列基因的表达。外源ABA和AM1处理均可下调PYR/PYL表达,上调PP2C表达,并改变SnRK2基因家族表达水平,进而下调AREB/ABF(ABA-responsiveelement-bindingprotein/ABRE-bindingfactor)家族的ABF1,从而提高甘蓝型油菜的抗旱性(Xiongetal.,);其中,SnRK2和ABF1是ABA信号通路的正调控因子,ABA处理植株中SnRK2和ABF家族的基因表达存在物种特异性(DalalandInupakutika,;Yoshidaetal.,;Wangetal.,)。AM1在非生物胁迫逆境响应方面的功能也很显著,如提高植物对干旱和寒冷逆境的耐受性(Caoetal.,;Chengetal.,)。在干旱条件下,AM1可以提高植物生长速率、生物量和叶面积(Naeemetal.,),调节气孔运动,减少植株水分流失(Hartungetal.,)。AM1还可以抑制光合作用相关基因的表达,显著改善植株光合器官,调节荧光发射和叶绿素含量,从而减轻细胞氧化应激,最终增强植株抗旱性(Parmaretal.,;Naeemetal.,;Xiongetal.,)。此外,AM1能诱导ABF1表达,显著降低活性氧含量,提高抗氧化酶活性,维持活性氧代谢的稳态和积累,进而提高狗牙根(Cynodondactylon)的耐冷能力(Chengetal.,)。
1.3AMF
通过在AM1的4-甲基苯环中加入氟原子,合成了一种名为AMFs(AM1fluorinederivatives)的化合物(Caoetal.,)。加入的氟原子能增加其氢键的数量和强度,使得AMF比AM1更贴合PYL蛋白的空间结构,具有更高的受体亲和力(Gillisetal.,;Caoetal.,)。因此,AMF可以激活并长时间维持ABA应激基因的表达,尤其是持续诱导植物干旱应答基因转录。AMF通过增加细胞脱水的耐受性,提高植株抗旱性,其效应甚至比天然ABA和AM1都更加稳定和有效(Caoetal.,)。
1.4Opabactin
基于现有的ABA激动剂(tetraloneABA、cyanabactin、AM1、AMF4)结构分析,结合虚拟筛选、X射线晶体学和结构导向,设计合成了一种ABA类似物opabactin(OP);与ABA相比,其受体亲和力增加了近7倍,体内生物活性增加了10倍(Vaidyaetal.,)。OP与PYR1结合是由焓驱动的,其酰胺支架比以往的磺胺类化合物提供了更多的焓驱动、更高的亲和力结合,极显著抑制种子萌发(Ladburyetal.,;Elzingaetal.,;Vaidyaetal.,)。OP具有抗蒸腾剂活性,能快速启动ABA信号,并且相对于ABA和其他激动剂,OP在番茄和小麦中具有更加持久的作用效果。除了磺胺类激动剂所需的PYR1和PYL1外,PYL2也参与OP的蒸腾效应(Vaidyaetal.,b;Vaidyaetal.,)。这表明PYL2是一个可以被合成激动剂激活的细胞靶点,能够调控植物蒸腾和ABA反应。因此,OP是一种新型的动态控制植物水分利用的激动剂,能有效缓解干旱对作物产量影响。
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赤霉素类似物及其分子功能2.1AC-
早在年,美国氰胺公司合成了具有类似赤霉素(gibberellin,GA)活性的化合物1-(3-氯肽酰亚胺)-环己烷羧酰胺(AC-)(SuttleandHultstrand,)。它能够打破种子休眠、促进种子萌发、茎伸长、调节开花等,特别是对杂草种子萌发和幼苗生长的影响甚至强于GA(Metzger,;SuttleandHultstrand,;Rodawayetal.,)。年,一系列的生化、遗传证据表明,AC-能够与可溶性GA受体GID1(GibberellinInsensitiveDwarf1)结合,形成GID1-AC-DELLA复合物,从而诱导DELLA蛋白降解(Jiangetal.,a)。同时,AC-被认定是GID1的激动剂,对特定的GID1亚型具有选择性。因此,AC-也可以为新型GA功能类似物的生物学设计提供模型(Lietal.,)。
2.D及其衍生物
通过化学文库筛选并利用PAC(GA生物合成抑制剂)抑制种子萌发的功能,鉴定出另一种GA类似物67D(Jiangetal.,b)。它能够与GID1结合,使种子萌发过程免受PAC的抑制,并能回补ga1-3突变体种子不萌发的表型。进一步研究表明,67D的衍生物可以作为GID1的激动剂,降解DELLA蛋白RGA,下调GA3ox1表达,且与GA具有相同的信号通路(Jiangetal.,b)。67D及其系列衍生物具有合成工艺简单、生产成本低等优点,有望作为植物生长调节剂应用于基础研究和农业领域。
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生长素类似物及其分子功能3.1合成生长素类除草剂
早在,第一种合成生长素类除草剂(Syntheticauxinherbicides,SAHs)2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)就已投入商业使用(Nutmanetal.,)。SAHs比天然生长素(auxin,IAA)更稳定,作用于双子叶杂草(Grossmann,;Busietal.,)。SAHs根据化学结构分为5类:苯氧基羧酸类(如2,4-D)、苯甲酸类(如麦草畏)、吡啶酸类(如毒莠定、二氯吡啶酸)、喹啉羧酸类(如二氯喹啉酸)、嘧啶羧酸类(如氯丙嘧啶酸)(Christoffoletietal.,;Quareshyetal.,)。虽然它们的化学结构不同,但都能引起相似的植物形态、生理和分子水平的变化(ChangandFoy,;Boerjanetal.,;Grossmannetal.,;Dargeviciuteetal.,;Pufkyetal.,)。
SAHs通过与质膜上的ABP1(AuxinBindingProtein1)结合,能够激活特殊的Rho家族小G蛋白RAC/ROPGTPase,从而改变细胞骨架,降低过氧化物酶活性(Xuetal.,;Rodriguez-Serranoetal.,);也能够通过TIR/AFB(TransportInhibitorResponse/auxin-signalingF-box)泛素蛋白降解途径,激活ABA和乙烯生物合成基因,产生大量活性氧,裂解细胞壁,最终植物生长停滞或死亡(Grossmann,,)。最近发现一类新的SAHs家族-芳基吡啶酸酯,它们是吡啶羧酸的衍生物,具有独特的除草活性,在低剂量下具有广谱且较高的药效(Busietal.,),可以安全地在谷类中使用(Schmitzeretal.,)。芳基吡啶类除草剂的兴起为开发新的SAHs提供了理论支持及实践可能。
3.2荧光标记生长素
结合荧光标记技术设计出荧光标记生长素类似物NBD–NAA[7-硝基-2,1,3-苯并恶唑(NBD)-共轭萘-1-乙酸(NAA)]和NBD-IAA(Hayashietal.,)。该类化合物与IAA和NAA分子具有相同的转运特性,但不与TIR1受体结合,也不影响生长素响应基因的表达,在生长素信号和代谢方面不起作用。但NBD–NAA/IAA对根系的重力性有一定抑制效应,可用于模拟生长素运输和成像生长素运输位点,从而观察根部细胞内外生长素分布,有利于深入了解生长素转运动力学(Ottenschlageretal.,)。IAA通过与两种不同的荧光染料FITC(fluoresceinisothiocyanate)和RITC(rhodamineisothiocyanate)在吲哚NH基团上直接结合,得到具有类似天然生长素生物活性和运输能力的荧光标记生长素IAA-FITC和IAA-RITC(Sokolowskaetal.,)。它们能够使胚芽鞘弯曲,诱导器官原基形成,并模拟根的重力反应。这些生长素类似物也可以像游离生长素一样被运输,特别是在根分生组织中。研究发现,FITC/RITC与IAA偶联可能对TIR1/AFB–Aux/IAA受体复合物起作用(Hayashietal.,)。
3.3RubNeddins
为揭示生长素如何被感知并介导植物发育,Vain等利用生长素泛素化的蛋白AXR1进行化学生物学筛选(HuaandVierstra,;MergnerandSchwechheimer,;WeijersandWagner,),鉴定了一种人工合成的类生长素小分子RubNeddins(RNs)(Vainetal.,),包括RubNeddin1-4(RN1-4),均是生长素激动剂。RNs可以促SCFTIR1/AFB-AUX/IAA共受体的组装,加强TIR1与Aux/IAA蛋白之间的相互作用,并促进该蛋白降解;能够诱导特定生长素启动子;能够在转录、生化和形态学水平上引起特定生长素反应。其中,RN3显著促进侧根生长,RN4促进下胚轴生长但抑制侧根发育。此外,RN4还诱导AXR2/IAA7蛋白降解,促进ATP酶编码基因BRAHMA的转录,从而抑制生长素介导的顶端弯钩(apicalhook,下胚轴顶端主动弯曲)的形成(Abbasetal.,;Wuetal.,;Vainetal.,)。
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细胞分裂素类似物及其分子功能4.16-benzylaminopurine
6-苄基氨基嘌呤(6-benzylaminopurine,6-BA),又称苄腺嘌呤,是第一个人工合成的细胞分裂素(cytokinin,CTK)类植物生长调节剂(Carimietal.,;Zhangetal.,)。6-BA具有与天然细胞分裂素相似的生理功能,例如促进细胞分裂,加快果实生长,增加芽的形成,提高结实率和产量等(Crosbyetal.,;Polancoetal.,;Wismeretal.,;PanandXu,)。6-BA高效、低成本的特点在基础及应用研究中得到广泛应用,在发酵培养基中添加6-BA,可显著提高Aurantiochytrium(海洋破囊壶菌)的脂质积累和DHA(docosahexaenoicacid)产量(Raghukumar,)。6-BA还可提高微生物对葡萄糖的利用率,增加糖酵解、TCA循环、甲羟戊酸等途径向脂肪酸生物合成转移的代谢通量(Yuetal.,)。
4.2Thidiazuron
噻苯隆(thidiazuron,TDZ)是一种人工合成的植物生长调节剂,最初由德国先灵制药公司注册为棉花脱叶剂(ArndtFR,),是具有类似细胞分裂素生理功能的亚硫代苯脲化合物,在结构上不含有嘌呤环(Wangetal.,)。TDZ是植物形态发生的重要调控因子,特别是在愈伤组织诱导、体细胞胚胎发生、器官发生和增殖等方面都具有促进作用(Lu,;Casanovaetal.,)。TDZ能够影响与细胞壁、细胞膜及其流动性相关的酶活性,对细胞分裂素氧化酶有较强的抗性,具有较高的稳定性(Wangetal.,a;HareandStaden,);能够导致器官发生的代谢级联,促进腺嘌呤型细胞分裂素的合成,调控内源性植物激素信号转导(Wangetal.,a,b;Murthyetal.,)。TDZ还能够提高应激基因表达，促进乙烯和脱落酸、脯氨酸等应激信号分子的积累(Hutchinsonetal.,;Zhangetal.,;Jonesetal.,)。
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乙烯类似物及其分子功能5.1Ethephon
乙烯利(2－氯乙基磷酸,ethephon),俗称催熟剂,是一种具有乙烯功效的植物生长调节剂,可释放乙烯进而可诱导果实变薄和成熟(Dennis,;John-KaruppiahandBurns,;Ish-Shalometal.,)。乙烯利也是高效生长延缓剂,用于作物抗倒伏(John-KaruppiahandBurns,)。乙烯利还可调控植物内源乙烯的合成(Ish-Shalometal.,)。在干旱胁迫下,乙烯利能够显著上调ZmERE(拟南芥蜡/角质合成调控基因WIN1/SHN1的同源基因)的表达,调控蜡质生物合成,增加角质层蜡质积累(LeeandSuh,;Yuetal.,)。
乙烯利还能够显著降低丙二醛和过氧化氢的积累,减少电解质泄漏,增加脯氨酸积累和过氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶的活性,减少细胞氧化损伤,保持膜的完整性和稳定性,提高植株抗旱性(GillandTuteja,;Yuetal.,)。此外,乙烯利可以降低花梗中生长素极性运输能力,促进乙烯受体MiERS1和MiETR1的基因表达上调,使得蔗糖浓度下降,诱导果实脱落(Hagemannetal.,)。
5.21-Methylcyclopropene
1-甲基环丙烯(1-Methylcyclopropene,1-MCP)是乙烯受体最强、最有效的竞争性抑制剂,其结构简单、化学性质稳定、毒性低、持续时间长(LeDeunffandLecourt,),其与乙烯受体的亲和力比乙烯本身还高十倍(Sereketal.,;Sisleretal.,;SislerandSerek,)。1-MCP不仅能有效降低乙烯释放速率与呼吸强度,抑制衰老和成熟相关基因的激活,延缓组织衰老(BleeckerandKende,;WatkinsandNock,;Yangetal.,),还能减少果实褐变与病原菌侵害,增强抗氧化酶的活性,延缓色泽变化(Hershkovitzetal.,;Liuetal.,)。研究表明,1-MCP显著抑制编码乙烯生物合成关键酶基因ACS和ACO的转录水平,降低相关酶活性,抑制乙烯的合成和释放(deWildetal.,;Dongetal.,;Pathaketal.,;Defilippietal.,)。
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独脚金内酯类似物及其分子功能6.1GR24
早期合成的独脚金内酯(strigolactones,SLs)类似物GR系列包括GR24、GR18、GR7、GR5等,其中GR24是广泛应用的人工合成独脚金内酯类似物(Zwanenburgetal.,;Bromheadetal.,)。GR24能够促进种子萌发;能够降低生长素从芽运输至茎的能力,从而抑制芽的生长;能够以微克级水平诱导丛枝菌根真菌分枝,并间接调控分枝发育(Yoneyamaetal.,;Crawfordetal.,;Yoneyamaetal.,)。此外,GR24以依赖于MAX2(MOREAXILLARYBRANCHES2)的方式,降低生长素水平和生长素报告基因DR5-GUS的表达,减少PIN1(PIN-FORMED1)的积累和离体茎段生长素的转运(Crawfordetal.,;Ruyter-Spiraetal.,)。因此,GR24是用于探究独脚金内酯生理功能的最好模拟物。
6.2Sphynolacone-7
独脚金(Strigahermonthica)寄生于农作物中,对农业生产造成毁灭性的破坏(ZwanenburgandPospisil,)。SLs可以诱导Striga种子的自杀式萌发,即在没有寄主的条件下萌发而致死(Wigchertetal.,;Bouwmeesteretal.,)。这促使研究人员开发只作用于Striga且不妨碍正常作物生长的高效、低剂量的独角金内酯类似化合物(Wigchertetal.,)。Uraguchi等合成了一种独角金内酯激动剂sphynolactone-7(SPL7),它通过烯醇醚与环状基团相连的丁烯内酯环,同时结合天然SLs中负责受体选择模块的abc环(三环系统)和负责发挥功能模块的D环(Uraguchietal.,)。这两大重要组分协同激活高亲和力独脚金内酯受体ShHTL7,使得SPL7在飞摩尔范围内起作用(Tohetal.,;Yaoetal.,),因此成为一种有效的Striga自杀萌发刺激剂。在没有寄主存在的情况下,SPL7能够高效诱导Striga种子萌发,而其幼苗因寄主的缺失将很快死亡,并保护寄主植物免受寄生引起的衰老(Uraguchietal.,)。
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茉莉酸类似物及其分子功能7.1Coronatine
冠菌素(coronatine,COR)是一种新型的茉莉酸(jasmonicacid,JA)功能类似物,起初被认为是一种引发植物黄萎病的生物致病毒素(Kloeketal.,)。随后发现COR的结构、生理功能与茉莉酸具有显著同源性(Youngetal.,;Benderetal.,;Brooksetal.,;Uppalapatietal.,)。COR与JA的活性形式JA-Ile最为相似,能够直接作用于COI1-JAZ(CORONATINEINSENSITIVE1-JasmonateZIMdomain)受体复合物,促进JAZ抑制因子的降解(Katsiretal.,;Fonsecaetal.,;Sheardetal.,)。COR还能够诱导花青素、生物碱、乙烯积累,调节气孔开闭,抑制根的伸长等(KenyonandTurner,;Feysetal.,;Benderetal.,;BenedettiandArruda,;LauchliandBoland,)。当植物遭受逆境,COR能够上调相关蛋白表达量,增加渗透调节物质,维持细胞膜的稳定性,调节光合作用和抗氧化系统,提高植物抵抗逆境的能力(Xieetal.,;Duetal.,;Zhouetal.,)。冠菌素在农业生产中用途广泛,生物安全性高,极大地降低了生产成本。
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展望随着农业生产对植物生长调节剂需求的不断提高,综合计量生物学、分析化学、结构化学和化学生物学,开发新的小分子激素类似物已成为基础及应用研究领域一大热点。虽然目前已经发现不少各类主要植物激素的小分子类似物,并对其功能作用进行了研究(表1),但能达到理想应用效果的并不多,因此有一些重点研究方向值得进一步
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