獨(dú)腳金內(nèi)酯(Strigolactones，SLs)是一類由類胡蘿卜素衍生而來(lái)的丁烯酸內(nèi)酯化合物。作為重要的植物內(nèi)源激素，獨(dú)腳金內(nèi)酯在植物生長(zhǎng)發(fā)育的多個(gè)方面(如分枝、根系形態(tài)等)發(fā)揮調(diào)控作用。越來(lái)越多的研究表明，獨(dú)腳金內(nèi)酯還能作為根際信號(hào)被某些真菌和細(xì)菌所感知，進(jìn)而調(diào)控它們與植物的互作。這些發(fā)現(xiàn)引出了有趣的科學(xué)問(wèn)題：獨(dú)腳金內(nèi)酯如何被不同生物類群所感知、轉(zhuǎn)導(dǎo)和代謝?在植物、真菌和細(xì)菌中，相關(guān)分子機(jī)制是否存在進(jìn)化上的關(guān)聯(lián)?

在植物中，獨(dú)腳金內(nèi)酯受體是由D14/KAI2基因編碼的α/β水解酶，該水解酶具有感知和水解獨(dú)腳金內(nèi)酯的雙重功能。先前研究表明，植物的D14/KAI2是通過(guò)水平基因轉(zhuǎn)移(Horizontal gene transfer，HGT)起源于變形菌門(mén)細(xì)菌的RsbQ基因，形成橫跨植物與細(xì)菌的D14/KAI2/RsbQ(DKR)家族。RsbQ基因的獲取不僅是植物建立獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵一步，也代表了植物適應(yīng)陸地環(huán)境的重要?jiǎng)?chuàng)新事件。近期，在植物致病真菌Cryphonectria parasitica中鑒定到的另一種α/β水解酶CpD14，也被證明具有獨(dú)腳金內(nèi)酯結(jié)合與水解活性，并且能夠介導(dǎo)該真菌對(duì)獨(dú)腳金內(nèi)酯的響應(yīng)。這表明CpD14 在真菌中是獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)的關(guān)鍵組分，也是潛在的獨(dú)腳金內(nèi)酯受體。

為了全面評(píng)估CpD14同源序列的分布，研究人員在多個(gè)生物基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了廣泛的搜索比對(duì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，具有顯著相似性的CpD14同源序列集中分布在錘舌菌類真菌和放線菌門(mén)細(xì)菌當(dāng)中，形成了跨越真菌與細(xì)菌的CpD14-like(CDL)家族(圖1)。進(jìn)一步的分析表明，CDL最可能起源于細(xì)菌，在約4.5億年前通過(guò)一次水平基因轉(zhuǎn)移事件，從放線菌處轉(zhuǎn)移到錘舌菌類真菌共同祖先當(dāng)中。有趣的是，CDL基因多被與陸生植物相關(guān)的病原真菌、內(nèi)生真菌或腐生真菌所保留，而在地衣化真菌類群中普遍丟失。最近的研究表明，獨(dú)腳金內(nèi)酯的生物合成途徑約在5億年前從陸生植物當(dāng)中演化出來(lái)，且獨(dú)腳金內(nèi)酯最初可能是作為植物與真菌的根際共生信號(hào)，而非內(nèi)源激素發(fā)揮作用。鑒于真菌中CDL的水平獲取時(shí)間緊隨其后，若CDL最初被錘舌菌類真菌用于識(shí)別和響應(yīng)植物的獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)，則其在特定真菌類群中的選擇性保留模式可以得到合理解釋。

通過(guò)X射線晶體衍射技術(shù)，研究人員解析了一個(gè)具有高分辨率的CDL代表性蛋白結(jié)構(gòu)，該蛋白來(lái)自放線菌Microlunatus sagamiharensis，被命名為MsCDL(圖2)。進(jìn)一步分析表明，CDL與DKR蛋白共享保守的核心“α/β折疊”結(jié)構(gòu)以及催化三聯(lián)體的空間位置。但不同于DKR，CDL的蓋子結(jié)構(gòu)包含兩條額外的短α螺旋(αS1-αS2)，且其αT1-αT2螺旋旋轉(zhuǎn)約90度形成三角形的蓋子上部。盡管蓋子結(jié)構(gòu)不同，CDL的配體結(jié)合口袋與DKR類似。分子對(duì)接模擬顯示，典型的獨(dú)腳金內(nèi)酯分子能穿過(guò)CDL的蓋子結(jié)構(gòu)并結(jié)合在其口袋內(nèi)。這些結(jié)果表明，CDL與DKR是兩種不同結(jié)構(gòu)類型，但分子功能趨同的α/β水解酶。

通過(guò)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究人員探討了獨(dú)腳金內(nèi)酯結(jié)合與水解活性在CDL與DKR蛋白中如何演化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變形菌RsbQ和放線菌CDL蛋白對(duì)不同類型的獨(dú)腳金內(nèi)酯表現(xiàn)出不同程度的親和力、水解活性和構(gòu)象變化，說(shuō)明細(xì)菌α/β水解酶已經(jīng)具備結(jié)合和水解獨(dú)腳金內(nèi)酯的功能活性，代表了一種進(jìn)化上的預(yù)適應(yīng)(pre-adaptation)。植物D14/KAI2和真菌CDL蛋白在繼承這些功能活性的同時(shí)，通過(guò)與獨(dú)腳金內(nèi)酯的互作，逐漸演化出更適合其生物學(xué)功能的配體選擇性特征。

基于現(xiàn)有的認(rèn)知，研究人員提出一個(gè)獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)在不同生物類群中的演化路徑模型(圖3)：在植物產(chǎn)生獨(dú)腳金內(nèi)酯之前，細(xì)菌已演化出多種α/β水解酶(如RsbQ和CDL)用于裂解丁烯酸內(nèi)酯或相似的酯類。這些α/β水解酶的結(jié)構(gòu)框架決定了其具有獨(dú)腳金內(nèi)酯結(jié)合與水解活性的潛力。約9億年前，變形菌RsbQ基因通過(guò)水平轉(zhuǎn)移被鏈型植物的共同祖先所獲得，并演化為D14/KAI2以催化類似的酯類裂解反應(yīng)。在獨(dú)腳金內(nèi)酯的生物合成途徑于約5億年前從陸生植物中演化出來(lái)后，D14/KAI2作為受體被納入植物的獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)當(dāng)中。在真菌中，放線菌CDL基因在約4.5億年前通過(guò)獨(dú)立的水平轉(zhuǎn)移事件被錘舌菌類真菌的共同祖先所獲取。與植物D14/KAI2類似，結(jié)構(gòu)和功能上預(yù)適應(yīng)的RsbQ與CDL蛋白可通過(guò)簡(jiǎn)單的氨基酸替換，在真菌和細(xì)菌中演化為特定類型的獨(dú)腳金內(nèi)酯受體或響應(yīng)蛋白。該研究不僅證明功能預(yù)適應(yīng)基因的獨(dú)立水平轉(zhuǎn)移事件可以引發(fā)重大創(chuàng)新性狀的趨同演化，還為跨界生物類群中獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)的起源與演化提供了新見(jiàn)解。

相關(guān)研究成果以Independent horizontal transfer of genes encoding α/β-hydrolases with strigolactone binding and hydrolytic activities from bacteria to fungi and plants為題，近日在線發(fā)表于植物學(xué)知名期刊Molecular Plant。中國(guó)科學(xué)院昆明植物研究所王洽副研究員為論文的第一作者，黃錦嶺研究員與澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)Steven M. Smith教授為論文的通訊作者。昆明植物研究所葉燁工程師、關(guān)艷龍副研究員、王雙華副研究員、孫航院士，大連民族大學(xué)王路路講師，以及中國(guó)藥科大學(xué)汪哲教授參與了此項(xiàng)研究工作。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、云南省“興滇英才支持計(jì)劃”、云南省基礎(chǔ)研究計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、青藏高原二次科考，以及澳大利亞研究理事會(huì)卓越中心等基金項(xiàng)目的支持。

圖1 真菌CDL基因家族起源于放線菌門(mén)細(xì)菌

圖2 DKR與CDL蛋白的結(jié)構(gòu)特征與比較

圖3 獨(dú)腳金內(nèi)酯信號(hào)系統(tǒng)在不同生物類群中的演化路徑模型