作者及研究发表情况

本文的主要作者为Adrian Scaffidi、Mark T. Waters、Emilio L. Ghisalberti、Kingsley W. Dixon、Gavin R. Flematti和Steven M. Smith，研究单位包括The University of Western Australia的School of Chemistry and Biochemistry、Plant Energy Biology，以及Kings Park and Botanic Garden和School of Plant Biology。研究成果发表于《The Plant Journal》，发表时间为2013年6月16日，DOI为10.1111/tpj.12265。

研究背景和意义

本研究属于植物生物学与化学生物学交叉领域，重点探讨一种植物激素类化合物Carlactone及其相关代谢物Strigolactones (SL)。SL是一类由类胡萝卜素衍生的植物激素，它们不仅在控制植物分枝、根系生长、叶片形态发育中起重要作用，还在与根寄生杂草种子萌发和植物-菌根共生等生态学过程中发挥关键调节作用。现有的研究表明SL通过CYTOCHROME P450 (Max1)、A/B-水解酶D14 (AtD14)和F-BOX蛋白Max2参与其生物活性实施。然而，研究发现SL生物合成基因和D14对植物幼苗形态建成的影响并不显著，引发了对Carlactone (CL)是否在幼苗形态建成中发挥作用的疑问。

研究目标包括：(1) 鉴定Carlactone在不同形态建成途径中的生物活性；(2) 探究Carlactone独立的形态发育机制及其与Karrikins（一种来源于烟雾的化合物）的关系；(3) 明确Carlactone在下游信号通路上与相关基因和蛋白的作用关系。

研究方法

本研究设计了以下实验流程，目标是系统探讨Carlactone及其他相关化合物在植物形态建成中的作用：

(1) Carlactone的化学合成

采用溴代丁烯内酯(bromobutenolide)和醛类化合物的偶联反应，用钾盐作催化剂制备Carlactone的Z-和E-几何异构体。目标产物通过制备型HPLC分离，结构通过1H-NMR和13C-NMR表征。实验优化后最终产物Z-Carlactone的得率约为1%，E-Carlactone约为4%。

(2) 成熟植株中的作用研究

在Arabidopsis thaliana（拟南芥）不同突变体（包括Strigolactone缺乏型和信号不敏感型突变体）中，研究Z-Carlactone对叶片形态和分枝抑制的影响。使用水培系统培养植物，将1 μM浓度的Z-Carlactone和合成Strigolactone模拟物GR24加入培养基，通过数字化叶片形态测定和侧枝抑制计数验证药剂对成株生长的效应。

(3) 幼苗阶段的形态发育研究

考察Z-Carlactone对拟南芥种子萌发和幼苗形态建成的影响，包括对胚轴伸长抑制、下游基因（如STH7和DLK2）转录水平的调节以及不同突变体对这些效应的响应差异。拟南芥突变体包括Max1、Max2、AtD14和Kai2的单突变和双突变株。采用qRT-PCR定量基因表达。

(4) 比较Z-Carlactone与不同几何异构体（如E-Carlactone）及Karrikins生物活性差异

通过对E-Carlactone的生物学效应实验，验证不同几何异构体的功能是否一致，并进一步探讨Karrikins是否为Carlactone独立的形态建成途径的替代物或相关信号因子。

研究结果

(1) Carlactone的化学合成与验证

Z-Carlactone和E-Carlactone成功经化学方法合成并分离，结构表征支持其与以往在E.coli中合成的Carlactone一致，进一步证明了合成路径的可行性。

(2) 成熟植株的形态建成

Z-Carlactone能够通过Max1依赖的途径恢复Strigolactone缺乏型植物max3突变体的叶片形态与分枝抑制，而无法对max1突变体产生作用。此外，这类效应通过AtD14而非KAI2调控，表明Z-Carlactone通过其代谢物实现对成熟植株生长发育的调控。

(3) 幼苗形态的Carlactone独立调控路径

实验表明，Z-Carlactone和E-Carlactone对幼苗胚轴伸长的抑制作用较弱，需高浓度（10 μM）才表现出有限活性。更重要的是，该作用独立于Max1，但依赖于Max2和AtD14，且KAI2对这一途径的作用较次要。反之，Karrikins对幼苗生长的明显调控依赖于KAI2而非AtD14，这表明存在与Carlactone无关的独立形态建成调控信号途径。

(4) Carlactone对种子萌发的作用

与Karrikins和Gr24不同，Z-Carlactone对拟南芥种子萌发并无显著作用，突显其在胚胎发育阶段作用的特异性较低。

研究结论与意义

本研究揭示了Carlactone在拟南芥形态建成中的多重作用模式，表明其机制在植物不同生长阶段存在显著差异。在成熟植株中，Carlactone通过Max1依赖的途径代谢为活性SL，并通过AtD14和Max2作用调控叶片形态和分枝；而在幼苗中，Carlactone并不起主要作用，幼苗的形态建成更多依赖于Karrikins与KAI2依赖的独立信号路径。

这些发现不仅丰富了我们对Strigolactone和Carlactone相关激素生物学功能的理解，也为植物分子信号调控网络的解析和农业生产应用（如寄生杂草防控和作物形态优化）提供了重要线索。

研究亮点

1. 系统鉴定了Carlactone在成熟植株和幼苗中的功能差异，揭示了其依赖于Max1的信号代谢路径仅在成熟植株中活跃。
2. 实验通过高效化学合成技术获得Carlactone几何异构体，验证了相较于模拟物GR24，Carlactone在幼苗形态建成中活性减弱，提供了斩新的功能学依据。
3. 提出了Carlactone独立的KAI2-依赖信号路径的存在假说，并利用Karrikins作为模型化合物进行了功能验证。

后续研究建议

未来的研究可进一步探索是否存在其他Max1独立的SL合成路径或未知类似信号化合物，以及这些路径在不同环境压力（如光照、营养缺乏等）下的调节机制。