《Journal of Integrative Plant Biology》：Strigolactone-mediated architecture regulation and stress resilience: Insights and innovations for crop breeding
独脚金内酯（Strigolactones, SLs）最初被鉴定为诱导寄生杂草种子萌发并促进丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi）分枝的根际信号分子。近年来，SLs被表征为一类来源于类胡萝卜素的植物激素，调控植物株型与逆境响应。本综述系统总结了SLs在塑造地上部株型和根系发育方面的多种功能，以及其介导植物适应各种非生物和生物胁迫的能力。研究还讨论了由D14、MAX2/D3和D53/SMXL6, 7, 8组成的核心信号模块及其与其他激素途径的广泛相互作用。最后，本综述指出未来研究应重点阐明SL途径介导的环境胁迫动态响应、解析SLs在不同植物物种中的功能多样化，以及利用SLs作为根际信号控制寄生杂草。对SL活性的精确时空调控对于平衡其功能复杂性至关重要，并将有助于设计具有优化株型和增强逆境适应性的作物。
**STRIGOLACTONES AND BRANCH DEVELOPMENT**
SLs抑制分枝数目。分枝是植物表型可塑性的关键特征，对株型多样性具有重要贡献。在禾谷类作物如水稻和小麦中，这些分枝被称为"分蘖"，对穗数和产量至关重要。分枝发育经历两个主要阶段：腋芽分生组织的起始与形成，以及随后的腋芽伸长或休眠。第一阶段主要由发育基因控制，第二阶段则由激素和环境因素协调。SLs作为分枝/分蘖过程中腋芽伸出的关键调控因子，其作用在多种作物和树木中高度保守。
SLs抑制分枝的分子机制已取得显著进展。D14–D3/MAX2–D53/SMXL6, 7, 8模块在SL信号传导中起核心作用。下游转录因子是分支发育的关键调控因子。Teosinte Branched1（TB1）基因编码TCP家族的转录因子，是SL信号中抑制腋芽伸出的核心枢纽。在拟南芥中，SLs触发SMXL6, 7, 8蛋白的泛素化和降解，从而通过不同的转录因子激活BRC1表达。转录因子SPL9、SPL15、BES1和TCP4与SMXL6, 7, 8相互作用并直接结合BRC1启动子调控其转录激活。BRC1直接激活HB21、40和53的表达，从而刺激ABA生物合成并抑制腋芽伸出。近期数学模型表明，BRC1抑制腋芽中生长素外流的基线速率，从而抑制分枝发育。SL信号也通过BRC1非依赖性途径改变海藻糖-6-磷酸的生物合成和信号来调控分枝。
在水稻中，Ideal Plant Architecture1（IPA1）是D53调控分蘖数的直接下游转录因子。IPA1属于SPL转录因子家族，其功能缺失突变体表现为多分蘖和矮杆表型，且对rac-GR24不敏感。D53直接与IPA1相互作用并抑制其转录活性，而IPA1直接结合OsTB1启动子抑制分蘖。SLs通过多种因素在复杂调控网络中协调分枝/分蘖发育。例如，在拟南芥中，SLs通过快速降低PIN1和PIN3的极性定位来抑制茎中极性生长素运输。在水稻中，主要SL响应基因OsCKX9编码细胞分裂素氧化酶，催化细胞分裂素（CKs）降解并调控分蘖数，揭示了SLs与CKs之间串扰的关键节点。蔗糖通过抑制SL触发的D53降解促进分蘖发育。在番茄中，转录因子SPL13通过抑制CK生物合成基因IPT1介导SL抑制的分枝。油菜素内酯（BRs）与SLs通过SMXL6, 7, 8/D53与BSE1/OsBZR1、DLT和RLA1之间的相互作用协同调控拟南芥和水稻的分枝和分蘖。赤霉素（GAs）与SLs通过SLR1–OsMADS23-D14模块协同抑制分枝。
SLs促进分枝角度。分枝角度是影响光截获、抗倒伏性和种植密度从而影响作物产量的关键农艺性状。SLs通过抑制局部生长素生物合成来促进分蘖角度，减少重力刺激下的不对称生长素分布。该机制在进化上保守，拟南芥SL缺陷突变体也表现出增强的下胚轴向重力反应和更直立的枝条。smxl678三重突变体表现出略呈扩展生长的表型，支持SLs通过SMXL蛋白调控分枝角度的观点。
**STRIGOLACTONES AND STEM DEVELOPMENT**
SLs促进节间伸长。株高是影响作物产量的关键农艺性状。SL缺陷突变体在拟南芥、水稻、豌豆和矮牵牛中均表现出一致的矮化表型，可通过rac-GR24处理恢复。不同物种中SL介导的高秆调控机制存在显著差异。在水稻中，SL缺乏损害GA生物合成并增强GA失活，导致活性GA水平降低。在棉花中，SL信号组分GhD53与转录因子GhGARF相互作用以抑制GA分解基因的表达。而在豌豆中，SLs通过促进细胞分裂而非GA介导的细胞伸长来调控节间伸长，采用GA非依赖性途径。
SLs促进茎的次生生长。次生生长由维管形成层活动驱动，对作物的机械强度和抗逆性至关重要。SLs正向调控拟南芥的次生生长。SL生物合成突变体和信号突变体均表现出维管形成层活性和茎直径显著降低。组织特异性互补实验表明，SL信号特异性地在维管组织内促进形成层活性。形成层细胞活性受BES1和WOX4的拮抗双向调控。SL信号触发BES1降解，从而增强WOX4表达并促进形成层增殖。近期单核RNA测序和组织学分析揭示d14、max2和max1中导管密度和大小增加，但brc1中没有，表明SLs独立于BRC1抑制的分枝途径抑制维管组织内的导管分化。
**STRIGOLACTONES AND LEAF DEVELOPMENT AND SEEDLING MORPHOLOGY**
SLs调控叶形和叶片衰老。在拟南芥中，SL生物合成和信号缺陷突变体表现出圆形叶片和短叶柄，而SL信号增强突变体smxl678表现出更窄的叶片并完全抑制max3的圆叶表型。TCP1被鉴定为SMXL6, 7, 8下游的早期SL响应基因，提供了SL信号与叶形之间的直接分子联系。在蒺藜苜蓿中，SL生物合成突变体和信号突变体均表现出叶缘锯齿减少。SLs正向调控衰老。在拟南芥中，SL途径突变体表现出延迟衰老的表型。黑暗刺激乙烯生物合成，上调SL生物合成基因MAX3和MAX4。遗传证据表明乙烯通过SL依赖性和SL非依赖性途径促进衰老。近期分子研究阐明了SL信号与年龄依赖性衰老途径的整合。miR156–SPL模块建立年龄相关的转录级联，其中SPL9/15直接激活SL生物合成基因，促进年龄依赖性SL积累。下游SL感知涉及AtD14–MAX2复合物，其介导SPX1/2抑制因子的泛素化和降解，解除SPX1和SPX2对转录因子WRKY75的抑制，从而激活SA生物合成基因SID2和随后的SA积累。
SLs调控下胚轴/中胚轴发育。下胚轴（拟南芥）和中胚轴（水稻）的伸长对幼苗出土至关重要，受黑暗和激素信号紧密调控。SLs作为该过程中的核心整合因子，与karrikin（KAR）、CK和BR信号通路发生复杂的相互作用。在拟南芥中，SLs和KARs均通过共享信号组分调控下胚轴伸长。D14对SL的感知促进D14与E3连接酶复合物SCF
MAX2的关联，促进SMXL2和SMAX1的降解，从而以MAX2依赖性方式抑制下胚轴伸长。在水稻中，SLs和KARs分别通过D14–D3–D53和D14L–D3–OsSMAX1途径抑制中胚轴伸长。遗传解剖揭示中胚轴伸长主要由KAR信号模块调控，而分蘖由经典SL信号模块控制。SL功能也与其他激素重叠。CKs促进中胚轴伸长，但SLs通过II类TCP转录因子OsTCP5拮抗这一效应。BR信号通过OsGSK2–CYC U2–D3模块与SLs相互作用调控中胚轴伸长。
**STRIGOLACTONES AND PLANT FLOWERING**
开花时间是受光周期、春化、温度和激素信号等多种环境和内源线索塑造的关键适应性状。SLs是重要的开花调控因子，发挥物种特异性作用。在拟南芥中，SL生物合成突变体和信号突变体均显著早于野生型开花，表明SLs在此情境中的抑制作用。SLs似乎通过不同浓度依赖机制调控开花。TOE1是内源SL介导的开花抑制的关键组分。在野生型植物中，SL受体AtD14以SL依赖性方式结合并稳定TOE1，防止其蛋白酶体降解并增强其对开花的抑制功能。同时，SLs触发SMXL6, 7, 8的降解，解除其对TOE1的隔离，使TOE1能够直接抑制成花素基因FT的转录。
在番茄中，SLs通过不同机制调控开花时间。CCD7和CCD8的沉默延迟开花，该效应可通过嫁接野生型砧木或用合成SL类似物GR24
5DS处理来恢复。SLs还通过诱导miR319积累促进番茄开花，加速LANCEOLATE（LA）转录本的降解以诱导开花。在矮牵牛中，不同SL相关dad突变体表现出不同的开花表型。值得注意的是，SLs在植物株型中的作用在某些农艺背景下可以与开花时间的作用解耦。例如，在油菜中，CRISPR编辑的BnD14突变体表现出理想的株型，分枝增加、株高降低，同时保持野生型开花时间和产量。
**STRIGOLACTONES AND ROOT DEVELOPMENT**
植物根系在水分和养分吸收、锚定和激素生物合成中起关键作用。SLs在根系发育中发挥多重作用。在拟南芥中，SL生物合成或信号突变体表现出主根缩短、皮层细胞数量减少和侧根密度增加。侧根的抑制作用依赖于参与生长素运输调控的信号组分AHK3和ARR1/ARR12。SHY2的缺失消除了SLs调控侧根的能力，表明SHY2在SL、CK和生长素信号通路相互作用中起关键作用。
在水稻中，d10和d14突变体的冠根长度显著短于野生型。近期研究揭示OsSHR1直接结合OsSWEET2a/4/16启动子，促进其表达并调控糖分配，从而促进根伸长并减少冠根数。SLs通过触发D53降解激活IPA1/OsSPL14介导的OsPIN1b表达来促进NO诱导的胚根伸长，调控生长素运输。CRL1最近被鉴定为根中早期SL响应基因，限制侧根密度。此外，在黑暗条件下，豌豆ccd7和ccd8突变体产生的不定根少于野生型。在苹果中，SLs通过两条途径抑制不定根形成：一条涉及Md-miR164b介导的MdORE1降解，另一条涉及MdSMXL7与MdWRKY6相互作用激活MdBRC1转录，从而诱导MdGH3.1表达并抑制生长素信号和不定根形成。在葡萄中，VvMAX2直接与侧生器官边界蛋白VvLOB和VvLBD19相互作用，正调控侧根密度。
**STRIGOLACTONES AND NUTRIENT UTILIZATION**
SLs调控植物对磷缺乏的适应。磷是植物必需的大量营养元素，但土壤中大部分磷以不可溶形式存在，有效磷缺乏是限制作物生长的主要环境因素之一。低磷强烈促进多种植物物种中SL的生物合成和分泌。低磷激活OsPHR2转录因子，直接促进NSP1和NSP2的表达。NSP1和NSP2形成异二聚体识别SL生物合成基因启动子区域的特定顺式元件，显著增强这些基因的转录活性，最终促进SL生物合成。
低磷条件下增强的SL生物合成在促进AM真菌共生中起关键作用。SLs最初被鉴定为低磷条件下AM真菌的分枝因子。低磷诱导的SL生物合成促进AM真菌释放短链几丁质寡聚体，增强共生基因表达并抑制免疫反应。低磷诱导的SLs还调控根毛密度、根长和侧根发育以优化磷吸收。SL信号直接与磷信号网络整合。在磷充足条件下，OsSPX4蛋白与OsPHR2相互作用，阻止其核输入并抑制磷饥饿诱导基因的表达。在低磷条件下，肌醇焦磷酸水平降低导致复合物解离、OsPHR2核输入和磷饥饿响应的激活。低磷诱导的SL积累增强SL受体D14与泛素E3连接酶SDEL1的相互作用，形成D14–SDEL1–OsSPX4复合物促进OsSPX4降解，促进额外OsPHR2蛋白的核输入和激活。
SLs调控植物对低氮的适应。氮缺乏对植物生理性能和农业生产力造成显著限制。低氮促进SL生物合成表现出物种特异性变异。SLs通过协调养分吸收、根系形态和地上部结构来提高氮获取效率并优化资源分配。在低氮条件下，水稻中SL积累促进D53降解以释放转录因子GRF4，促进并整合氮同化、碳固定和生长。GRF4激活氮代谢和运输相关基因的表达。同时，低氮通过D14和D53依赖性机制诱导DELLA蛋白降解，进一步解除对GRF4活性的抑制，增强氮同化。
低氮条件下的分枝抑制主要由SL积累和信号增强调控。低氮抑制NGR5表达，从而上调SL信号基因如D14和IPA1/OsSPL14的表达，抑制分蘖芽伸长。低氮还促进OsTCP19转录因子表达，抑制BR信号响应并协调分蘖调控与SL信号。进一步深入研究揭示低氮增强SL受体D14 N端结构域的磷酸化，稳定D14蛋白、延长SL信号持续时间并最终抑制分蘖发育。
**REGULATORY ROLES AND MECHANISMS OF STRIGOLACTONES IN PLANT ABIOTIC STRESS RESPONSES**
SLs调控植物对干旱的适应。干旱是限制全球农业生产和生态稳定性的严重非生物胁迫。SLs作为参与调控植物抗旱性的关键植物激素。在拟南芥中，SL生物合成突变体和信号突变体表现出增强的干旱敏感性，特征为气孔开度增加和叶片失水率升高。增强SL信号突变体smxl678表现出显著增强的抗旱性，特征为叶片气孔指数降低、角质层透性增加、花青素生物合成增强和对ABA敏感性提高。SL介导的抗旱性分子机制涉及多层调控。SMXL6, 7, 8作为转录因子直接结合ABA响应基因SnRK2.3的启动子，负调控ABA信号。SLs通过整合ABA依赖性和ABA非依赖性途径诱导气孔关闭。此外，SLs可以建立干旱记忆，使植物在反复胁迫时实现更快的防御响应。近期研究揭示SL信号还限制木质部导管形成，代表了一种减少干旱条件下蒸腾作用水分流失的策略。
在作物中，外源rac-GR24施用显著提高小麦、葡萄、大豆和玉米的抗旱性。SLs在抗旱性中的功能表现出物种特异性。例如，SLs在水稻中作为抗旱性的负调控因子，d10、d17、d3和d14等突变体比野生型具有更强的抗旱恢复力。
SLs调控植物对盐胁迫的适应。与野生型相比，SL生物合成突变体和信号突变体在盐胁迫下表现出显著更低的存活率，表明SLs正向调控拟南芥的盐耐受性。在作物中，rac-GR24施用通过多种相互关联的机制增强盐耐受性，包括维持细胞内K
+/Na
+稳态、促进脯氨酸积累进行渗透调节、上调抗氧化酶编码基因表达以增强氧化防御，以及增加叶绿素含量和净光合速率以维持胁迫下的光合作用。SLs还与NO协同作用上调光合色素和抗氧化基因表达，减少氧化损伤。此外，SLs通过调控磷脂信号增加IP3、PIP2、DAG和PA等第二信使水平来增强番茄的盐胁迫适应。
SLs调控植物对重金属胁迫的适应。SLs通过多层次、物种特异性机制缓解重金属毒性。在镉胁迫植物中，rac-GR24通过调控养分吸收和氧化防御缓解毒性。砷通过磷酸转运蛋白以砷酸盐形式进入水稻，SLs减少其吸收并增强其在根中的液泡区室化，从而缓解地上部的氧化损伤。在苹果中，rac-GR24通过上调MdWRKY53缓解氯化铝胁迫，增加MdPMEI45和MdALS3的表达，限制铝离子进入细胞壁并促进氯离子在液泡中的隔离。
SLs调控植物对高温的适应。拟南芥中SL生物合成突变体和信号突变体表现出增加的热敏感性，发芽和幼苗存活率降低。高温下AtMYBS1表达受抑制，释放其对MAX1转录的直接抑制，从而促进SL生物合成以增强耐热性。在番茄中，高温上调SL生物合成基因和信号基因MAX2的表达，并进一步激活ABA途径增强热激蛋白HSP70的表达。在生理水平上，SLs通过调控气孔运动和抗氧化系统增强植物的高温适应。番茄中SL缺陷突变体在高温下表现出增加的气孔导度和加速的水分流失，而SL处理缓解这些热胁迫响应。
SLs调控植物对低温的适应。在拟南芥中，SL生物合成突变体和信号突变体表现出降低的冷冻耐受性和存活率，以及增加的离子渗漏。WRKY41通过直接抑制CBF/DREB1的表达负调控植物冷冻耐受性。SLs触发WRKY41的泛素化和降解，从而激活CBF依赖性耐寒途径。此外，SL触发的SMXL6, 7, 8泛素化和 speaking and 降解可增强花青素积累并有助于拟南芥的耐寒性。在番茄中，冷胁迫诱导SL生物合成，CCD7、CCD8、MAX1或MAX2的沉默增加冷敏感性。GR24
5DS通过促进ABA积累缓解冷诱导损伤。SLs还通过提高HY5蛋白水平促进ATG18a表达，分解冷诱导的变性和未折叠蛋白，提高番茄的耐寒性。在苹果中，MdGLK1与MdBZR1的相互作用通过促进MdCBF1/2表达增强耐寒性。SLs通过降解MdSMXL8正向调控冷响应，缓解其对MdGLK1–MdBZR1复合物的抑制作用。
SLs调控植物对高光和低光的适应。低光是影响温室冬春季节番茄和黄瓜等蔬菜栽培的主要环境因素之一。外源rac-GR24施用缓解低光条件下的生长抑制、改善光合性能并减少氧化应激。高光导致ROS积累，对光合系统和整体植物生长造成损害。在拟南芥中，SLs通过上调核心光合系统蛋白并调节叶绿素和类胡萝卜素平衡来缓解高光条件下的光损伤。
**REGULATORY ROLES AND MECHANISMS OF STRIGOLACTONES IN PLANT BIOTIC STRESS RESISTANCE**
SLs在不同病原体响应中的作用和机制正在成为研究热点。在真菌病害模型中，海岛棉中GbCCD7和GbCCD8b的沉默增加了对黄萎病的敏感性，而rac-GR24施用以与JA和ABA信号通路相互作用并诱导ROS积累的方式增强抗性。对于坏死性真菌灰葡萄孢，rac-GR24施用在拟南芥、烟草和葡萄中显著增强抗性。SLs在水稻稻瘟病抗性中的作用似乎取决于环境条件，存在正负调控的报道。SL信号抑制因子D53蛋白通过降低苯丙氨酸解氨酶基因表达和木质素产生来减少稻瘟病抗性。
在细菌病害中，SL生物合成突变体和信号突变体对丁香假单胞菌番茄致病变种DC3000明显更易感，表明SLs正向调控对该细菌的抗性。胼胝质形成、SA含量和气孔导度是拟南芥中SL介导的细菌抗性的重要组分。
在植物-病毒相互作用中，SLs表现出情境依赖的调控作用。在烟草花叶病毒侵染的本氏烟草中，外源SLs施用削弱抗性，而SL生物合成抑制剂施用和SL生物合成基因的沉默增强抗性。近期水稻研究揭示SL信号对广谱抗病毒免疫至关重要，促进转录因子ONAC131的表达，从而促进RNAi介导的抗病毒防御激活。RGSV的P3蛋白竞争性结合D14，破坏D14–D3复合物并阻断信号转导以抑制宿主免疫响应。值得注意的是，对P3干扰抗性的工程化D14变体赋予稳健的RGSV抗性而不影响水稻生长或产量。
SLs在线虫胁迫响应中的功能表现出物种特异性模式。在番茄中，SL生物合成基因的沉默削弱了对南方根结线虫的防御，而rac-GR24增强植物抗性。相反，水稻中SL生物合成和信号突变体表现出对根结线虫增强的抗性，JA和JA-Ile水平升高。
**CONCLUSIONS AND PROSPECTS**
自被识别为新一类植物激素以来，SLs调控植物株型的分子机制逐渐被阐明。SL生物合成途径涉及催化carlactone形成的保守酶，以及在不同植物物种中产生各种SL分子的CYP450酶。SL信号途径主要涉及D14–MAX2/D3–D53/SMXL6, 7, 8受体复合物的组装，触发抑制蛋白的降ample，通过解除对BRC1/OsTB1的抑制精确调控植物分枝/分蘖数。此外，SLs还调控株高、根系形态和叶片衰老等其他株型性状。
尽管近期研究已证实SLs在植物对干旱、盐胁迫、极端温度和营养胁迫响应中不可或缺的作用，但对其潜在分子机制的理解仍限于现象观察和初步关联。未来需要多组学技术和高分辨率时空表达分析来动态绘制不同胁迫条件下SL信号网络。解析MAX2/D3在不同胁迫下如何招募不同底物蛋白，以及SMXL家族成员在抗逆中的作用，也至关重要。
随着研究扩展到更广泛作物的特定性状，SLs的新功能正在涌现。在苹果中，SL抑制因子D53同源物与AGL9模块相互作用调控SL介导的果实花青素生物合成。在棉花中，GhD53和高粱中，SL转运蛋白SbSLT1和SbSLT2的编辑导致根中SL分泌显著减少、寄生萌发降低和田间Striga寄生减少。番茄SL转运蛋白基因SlABCG44和SlABCG45的编辑系表现出对列当族的广谱抗性。SlABCG45敲除在寄生抗性和果实产量之间取得平衡，显著减少侵染田的产量损失。
SLs紧密整合到调控植物生长和逆境响应的激素网络中。证据表明SLs与生长素、CKs、GAs、ABA、ET、BRs、SAs和JAs通过共享调控节点相互作用。SL生物合成受多种激素转录调控。其他激素共享核心SL信号组分，包括D14受体、MAX2/D3和D53/SMXL家族。系统分析以SL为中心的动态激素稳态、蛋白质-蛋白质相互作用和组织特异性转录级联，将有力支持作物改良，促进平衡生长、逆境适应性和更高产量。
当前SL相关性状的知识，包括分蘖/分枝、根系发育、逆境适应性和微生物相互作用，凸显了其在育种改良中的潜力。然而，鉴于SLs的功能复杂性，在作物株型、逆境适应性和AM共生之间实现最优平衡仍是农业中的挑战。育种策略应超越简单的基因敲除或过表达，精确的时空调控和剂量控制可能更为有益。方法包括使用组织特异性或胁迫诱导型启动子将SL活性限制于目标器官或发育阶段，应用蛋白质工程微调关键SL组分的活性或特异性，以及探索SL途径内的自然等位变异以鉴定在特定环境条件下支持最优功能的有利单倍型。将SL信号网络与其他性状调控网络的相互作用建模，能够预测遗传修饰的联合表型效应，有助于将优化的SL基因与其他有益基因整合，实现产量、品质和抗性的协同改良。
