《Journal of Agricultural and Food Chemistry》：Precision Regulation of Strigolactone Signaling for Sustainable Crop Improvement
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根寄生杂草，特别是独脚金属（Striga）和列当属（Orobanche），造成严重的产量损失，仍是全球作物生产的主要威胁。独脚金内酯（Strigolactones, SLs）是根系分泌的信号分子，可刺激根寄生杂草种子萌发，同时作为植物激素调节地上部结构、根系发
根寄生杂草，特别是独脚金属（Striga）和列当属（Orobanche），造成严重的产量损失，仍是全球作物生产的主要威胁。独脚金内酯（Strigolactones, SLs）是根系分泌的信号分子，可刺激根寄生杂草种子萌发，同时作为植物激素调节地上部结构、根系发育、养分获取、共生互作、微生物组组装及胁迫响应。这些双重角色使得SL信号成为作物改良和寄生杂草管理中一个极具吸引力但也充满挑战的靶点。当前调控SL信号的策略，包括化学干预和基因工程，已取得显著进展；然而，SL途径的多效性使得精准调控面临困难。简单地增强或减弱SL信号可能会产生不良的农艺权衡。因此，研究人员提出，未来基于SL的作物管理关键在于精准调控SL通量、感知和根际信号，而非全局性地控制该通路。
一、研究背景与科学问题
根寄生杂草，尤其是独脚金属（Striga）和列当属（Orobanche），对全球粮食安全构成严重威胁。独脚金内酯（Strigolactones, SLs）是一类兼具根际信号分子和植物内源激素功能的化合物：一方面，它们由作物根系分泌至根际，刺激寄生杂草种子萌发；另一方面，它们作为激素调控植物株型、根系构型、营养吸收、共生互作、微生物群落组装及逆境响应。SL的这种双重功能使其成为作物改良和寄生杂草治理的理想靶点，但同时也带来了巨大挑战——简单地增强或削弱SL信号往往会导致不良的农艺性状权衡。因此，研究人员提出，未来SL研究的核心方向应从全局性调控转向精准调控SL通量、感知过程和根际信号传递。
该论文发表于《Journal of Agricultural and Food Chemistry》。
二、关键技术方法概述
本研究综合运用了多种技术手段：化学合成与结构简化策略用于开发SL类似物；小分子化合物库筛选结合虚拟筛选技术鉴定高选择性受体激动剂；CRISPR-Cas9基因组编辑技术用于敲除或修饰SL转运蛋白编码基因（如高粱中的SbSLT1和SbSLT2、番茄中的SlABCG45）及SL受体编码基因（如水稻中的D14）；受体-配体互作分析用于评估化合物对不同物种SL受体的选择性激活能力；田间试验用于验证候选化合物的实际效果。
三、主要研究结果
3.1 SL信号化学调节剂（Chemical Modulators of SL Signaling）
由于天然SL含量低、稳定性差且生产成本高，其直接农业应用受到限制。研究人员从结构简化的角度出发，开发了rac-GR24这一最广泛使用的SL类似物，它保留了关键的烯醇醚连接的D环药效团，能重现多数SL样生理反应。进一步简化得到MP3和Nijmegen-1等激动剂，已在田间条件下表现出诱导独脚金属（Striga）自杀性萌发的潜力。然而，这些类似物的实际应用仍受限于稳定性、生产成本和制剂化问题。近年来，研究重点转向选择性受体激活策略：通过小分子文库筛选获得的SPL7，能在飞摩尔浓度下诱导Striga萌发，而对拟南芥几乎不表现SL样激素活性；通过虚拟筛选获得的激动剂(S)-4a，在低至10–17 M浓度下即可刺激S. hermonthica萌发，并对寄生杂草SL受体表现出强选择性。此外，最近发现来源于微生物群的环状二肽cyclo(Leu-Pro)是一种非水解型的OsD14激动剂，其结合和信号活性与GR24相当，且在实验室和田间条件下均能调控水稻分蘖数，拓展了SL调节剂的化学空间。
3.2 SL途径的基因工程（Genetic Engineering of SL Pathways）
基因工程为重新编程SL途径提供了互补策略。针对寄生杂草防控，研究人员利用CRISPR-Cas9技术编辑了负责将SL输出到根际的ATP结合盒亚家族G（ABCG）转运蛋白编码基因：在高粱中编辑SbSLT1和SbSLT2，在番茄中编辑SlABCG45，均显著降低了根系SL外排量，减少了寄生杂草萌发的刺激作用，而在无寄生杂草条件下对植株生长或产量几乎没有负面影响。这表明，工程化SL转运而非消除SL生物合成，是农业中控制独脚金属（Striga）和列当属（Orobanche）的一种可行策略。在作物抗逆性方面，研究发现水稻草矮病毒利用其P3蛋白劫持D14受体以抑制SL依赖的抗病毒RNA沉默。而携带D14D102N突变的水稻变异体能够破坏P3–D14相互作用，同时保留正常的SL信号功能，从而在不影响生长和产量的前提下增强了抗病毒能力。
四、总结与展望
化学调控和基因工程是将SL生物学转化为作物改良应用的互补策略。然而，核心挑战不在于能将SL信号改变多大幅度，而在于如何选择性地进行调控而不干扰其多重发育和生态功能。因此，未来的化学策略应优先考虑受体选择性、化学稳定性、经济高效的合成工艺以及田间适配的制剂配方；遗传策略则应聚焦于SL转运和感知的组织特异性调控。特别值得指出的是，利用寄生杂草特有的KAI2d/HTL受体与作物D14受体之间的进化差异，为实现选择性寄生杂草防控提供了有前景的途径。整合选择性农用化学品、精准基因组编辑和微生物组调控，有望将SL信号从一个多效性的激素途径转变为一个可编程的精准可持续作物管理平台。
