独角金内酯调控水稻分蘖芽休眠的研究进展

李叶

（上海市金山区廊下镇农业技术推广服务站，上海201516）

0 引言

水稻分蘖分为有效分蘖和无效分蘖两类，在高产群体中，无效分蘖的存在将影响有效分蘖正常发育和后期群体光合作用[1]，抑制无效分蘖发生、提高群体的茎蘖成穗率是水稻形成合理群体进而取得高产的重要前提[2]。目前中国大面积生产上水稻茎蘖成穗率仅60%～70%，而超高产群体茎蘖成穗率必需达到80%以上，进一步抑制无效分蘖发生，提高茎蘖成穗率，使每个有效茎更充分地发育，穗型将增大，产量将有更大的突破[3]。因此，控制无效分蘖的发生已经成为中国稻作科学界高产栽培的研究热点。

水稻分蘖的形成可分为分蘖芽的分化形成和分蘖芽的萌发生长两个过程[4]。目前普遍认为，分蘖芽的分化形成主要受少数基因控制，而分蘖芽的萌发生长更多地受环境因素的影响。李学勇等[5]在粳稻品种‘H89025’中发现了由MOC1基因控制、分蘖能力完全丧失、只有一个主茎秆的天然突变体，其分蘖芽的分化形成受到抑制。分蘖是水稻的重要农艺性状，现用品种都具有形成分蘖芽的特性，而分蘖芽的萌发生长则受水、肥等环境因素影响。当水培液氮浓度低于30 mg/L、土壤氮浓度降至30 mg/kg以下时，分蘖停止发生[6]。水稻分蘖芽三幼一基期当土壤水势达-18 kPa并维持一个叶龄以上时，分蘖芽将转入休眠状态[7]。生产上利用分蘖芽萌发对氮素和水分反应敏感的原理，采用排水搁田和减少氮肥等措施控制无效分蘖的发生，但其效果受土壤、天气和农田排灌条件影响。特别是中国南方稻区，水稻无效分蘖期往往遭遇连续阴雨，排水搁田措施常常无法实施到位，迫切需要研发对水稻分蘖具有“急刹车”调控效应的新技术。近年来，越来越多的学者意识到，化控技术作为传统农业技术的发展与补充，在解决水稻无效分蘖控制中将发挥重要作用，并最终成为调控分蘖发生的最有效手段。

独角金内酯是一种新发现的激素，并已被证明能够抑制水稻分蘖的发生，目前的研究主要集中在独角金内酯调控植物分枝发生的机理以及其合成和信号转导途径等，对其在水稻生产上的应用研究较少，本研究就独角金内酯对水稻分蘖发生的作用及其机制，以及其应用前景等方面展开了综述。

1 独角金内酯对水稻分蘖的作用

水稻分蘖由叶腋内的腋芽活化生长形成，与植物分枝形成类似，受顶端生长优势控制。顶端生长优势又由一类具有抑制作用的生长素(auxin)调控，这类生长素在顶端产生（例如水稻的心叶），在茎中向基部运输，影响腋芽生长。基于顶端生长优势与腋芽生长的关系，近年来不少研究者在秧田期应用多效唑(PP333)和烯效唑(S-3307)减弱植物顶端生长优势，促进侧枝生长，培育水稻壮秧；于水稻有效分蘖终止期施用赤霉素(920)增强植物顶端生长优势，抑制分蘖出生，减少无效分蘖，促进主茎和大分蘖生长与大穗[8-9]。然而，施加这类有促进顶端生长的激素，在促进或抑制水稻分蘖发生的同时，将产生很多副作用，如节间、叶片、叶鞘变长或变短、改变水稻生育进程等，这对水稻的安全生产有不利的影响。因此，在不影响水稻正常生长的前提下，如何安全有效地控制无效分蘖已成为水稻化控技术研究与应用的难点，迫切需要探索与顶端生长优势无关调控水稻分蘖的新途径。

独角金内酯(strigolactones)是最近新发现的一种植物激素或其前体，它主要合成于根部，由类胡萝卜素代谢产生，由形态学下端向形态学上端运输，抑制芽的生长[10]。Umehara等[11]给水稻突变体d3、d10和d17施加独角金内酯人工合成物GR24，发现d3突变体没有恢复其野生表型、分蘖受到抑制，而d10和d17两种突变体都恢复了野生表型，结果显示独角金内酯具有调控水稻分蘖的作用。Xu等[12]以常规水稻品种‘扬稻6号’和‘南粳44’为材料，在分蘖期进行了根部施加GR24试验，结果显示施加微量(2 μmol/L)的GR24就能对水稻分蘖产生很好的抑制效应，分蘖发生率较对照下降95个百分点以上，且未发现对水稻其他器官的生长产生影响。因此，独角金内酯能较好地抑制水稻分蘖发生且副作用较小，这为水稻分蘖的化学调控开辟了新途径。

2 水稻中独角金内酯的合成及信号转导

激素能够调控植物枝条的形成，细胞分裂素和生长素在其中都发挥作用。但近年来对一系列多分枝突变体包括豌豆rms、拟南芥max、矮牵牛dad、水稻d和htd等突变体[13-20]的研究发现，还存在着第3种植物激素调控植物的分枝，并认为独角金内酯就是MAX途径产生的一种控制植物分枝的新激素[11,21]，这与传统的认为植物分枝由生长素和细胞分裂素这2种激素调控的理论有很大的不同，这一发现对于植物激素研究具有重要意义。

独角金内酯最初从根寄生植物的根系分泌物中分离出来，被认为是种子萌发的刺激物。而到目前为止，独角金内酯已经从许多种植物中分离得到，涉及独角金内酯合成与信号的基因也陆续在高等植物如拟南芥、豌豆、矮牵牛等中发现。在水稻中，独角金内酯合成和参与分蘖调控信号转导途径的研究也有报道，对其相关研究结果进行整理，独角金内酯合成和信号转导途径大致可概括为图1。其中，D17（编码类胡萝卜素裂解单加氧酶 CCD7）、D10（编码 CCD8）和D27（编码含铁蛋白）3个基因已被证实直接参与了独角金内酯的合成[20-28]；在D17、D10和D27下游，细胞色素P450MAX1基因被认为是合成活性独角金内酯所必须的[29-31]，目前此基因只在拟南芥中被发现。D14位于独角金内酯生物合成的下游，参与独角金内酯的感应或生物合成途径基因的反馈调节[32-34]；D3参与了蛋白泛素化并介导蛋白质降解，是独角金内酯信号转导途径的关键基因[22,25,35]。

水稻中D14和D3基因参与独角金内酯的信号转导过程，但其具体过程一直到2013年才被揭示，并得到了一个新的D53基因，在独角金内酯存在的条件下，D53蛋白可与D14、D3蛋白互作，形成D53-D14-SCFD3蛋白复合体，D53蛋白进而被泛素化，从而特异地被蛋白酶体系统降解，诱导下游目标基因的表达以及独角金内酯信号的响应[36-37]。

图1 独角金内酯合成及抑制分蘖的信号途径

3 独角金内酯抑制水稻分蘖发生的机制

独角金内酯作为一种新的激素，通过复杂的网络调控系统调控植物侧枝发育，并与另外两种重要激素细胞分裂素和生长素的相互作用有关。生长素于植物的顶端合成，通过极性向下运输抑制侧芽生长；独角金内酯和细胞分裂素都于植物的根部合成，向上运输至侧芽中，但两者的作用却截然相反，前者抑制侧芽生长，而后者可直接促进侧芽的发生[38]。Liu等[39]的研究显示，水稻去掉稻穗移除顶端生长素源之后，节部和腋芽中的细胞分裂素含量升高，节部新合成的细胞分裂素被运输到腋芽，促进了已进入休眠状态分蘖芽的萌发生长；对去穗移除顶端生长素源的水稻植株再进行叶面喷施生长素处理，植株已被激活进入萌发状态的分蘖芽被恢复至休眠状态，节部和腋芽中的细胞分裂素含量降低；结果认为细胞分裂素参与了生长素调控腋芽休眠与萌发生长的过程，而生长素调控水稻腋芽生长的作用可能是间接的，推测水稻腋芽生长可能不依赖生长素的长距离信号途径。另有研究发现，生长素对植物侧芽生长的抑制作用是通过促进独角金内酯生物合成或抑制下部节间的细胞分裂素合成来完成[40-41]，这对植物激素以及发育调控研究具有重要意义。

关于独角金内酯调控植物分枝的机理，主要有生长素运输管道形成假说和第二信使假说。生长素运输管道形成假说认为，腋芽要被活化必须向外输出自己合成的生长素，若生长素的外输被阻止腋芽的活化则被抑制，独角金内酯通过抑制腋芽生长素的外输而阻止其活化[42]，即：当独角金内酯含量较低时，所有腋芽都能外输生长素而被活化；当独角金内酯含量升高时，腋芽因外输生长素的过程被阻止而不能被活化。在第二信使假说中，独角金内酯被认为是受生长素正向调控并向上运输至腋芽中直接参与抑制腋芽生长[41]。然而，这2种假说都未被实验所证实，并遭受到部分实验结果的挑战。Domagalska等[43]的研究发现，独角金内酯能够降低生长素输出载体蛋白PIN在质膜的积累，暗示独角金内酯并不是运输到腋芽直接发挥作用。Liang等[44]的试验显示，在2个腋芽的系统中，基部施加独角金内酯并没有完全抑制两个腋芽的生长，其中一个腋芽继续生长，另一个腋芽转入休眠状态，这意味着独角金内酯是通过增加了两个腋芽之间的竞争而抑制另一个腋芽生长，并非通过阻止腋芽生长素的外输抑制腋芽的活化。综上所述，虽然独角金内酯调控植物分枝已是不争的事实，但其功能还没有被完全揭示出来，要阐明其到底以何种方式来调控腋芽的生长，急需进一步鉴定其调控基因和信号转导途径。

水稻有很多独角金内酯合成和信号传导的突变体，被认为是研究独角金内酯的理想材料[10]。水稻也是世界上最重要的粮食作物之一，并具有分蘖特性，深入研究独角金内酯在调控水稻分蘖上的作用，阐明独角金内酯调控水稻分蘖发生的分子机理和信号转导途径，为水稻分蘖发生的化学调控提供理论依据，以寻求水稻的增产的有效途径。

4 展望

独角金内酯自2008年被证实为继生长素和细胞分裂素之后的第3大激素以来，学者们利用不同的模式植物，对其能够抑制植物分枝发生的功能及作用机制进行了大量细致的研究，并提出了其与生长素和细胞分裂素的相互关系，但其中仍存在一些未知和争议，未来的研究方向将侧重于研究这三者之间的调控网络，并对独角金内酯的信号转导途径进行更为细致和深化的描绘。

独角金内酯对水稻分蘖发生的抑制作用早已被多位学者证实，但目前为止，还未应用于水稻生产上，究其原因，可归纳为两点：（1）独角金内酯及其类似物（如常用的GR24）价格过于昂贵，尽管极微量的GR24就能抑制水稻分蘖的发生，但应用于稻田控蘖仍需要极大的成本，得不偿失。（2）目前对于独角金内酯抑制水稻分蘖发生的研究仅仅局限于盆栽或者培养基培养，施加的独角金内酯都由根部吸收，向上运输至分蘖芽中并抑制其萌发，这种施加方式在实际生产中操作难度大，远没有直接叶面喷施方便快捷，而叶面喷施独角金内酯是否也能够高效率地抑制水稻分蘖，都未见有相关研究。因此，未来的研究重点在于探索出能够大批量生产有活性GR24的方法，以降低其生产成本，另外还需摸索出合适的叶面喷施方法，例如喷施的浓度和喷施时期等。如果能解决上述问题，那么独角金内酯作为水稻生产过程中无副作用的控蘖剂，其应用前景是巨大的，这亟待农业科技工作者去探索，去解答。

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