Стриголактоны — это группа химических соединений, вырабатываемых корнями растений. [1] Из-за механизма их действия эти молекулы были классифицированы как растительные гормоны или фитогормоны. [1] На данный момент было установлено, что стриголактоны отвечают за три различных физиологических процесса: во-первых, они способствуют прорастанию паразитических организмов, которые растут в корнях растения-хозяина, таких как Striga lutea и другие растения рода Striga . [1] Во-вторых, стриголактоны имеют основополагающее значение для распознавания растения симбиотическими грибами , особенно грибами арбускулярной микоризы , поскольку они устанавливают мутуалистическую связь с этими растениями и обеспечивают почву фосфатом и другими питательными веществами. [1] В-третьих, стриголактоны были идентифицированы как гормоны ингибирования ветвления у растений; когда они присутствуют, эти соединения предотвращают избыточный рост почек на концах стебля, останавливая механизм ветвления у растений. [1]
Стриголактоны составляют разнообразную группу, но все они имеют общую основную химическую структуру , [1], как показано на изображении справа. Структура основана на трициклическом лактоне, связанном с гидроксиметилбутенолидом; первый представлен на рисунке как часть ABC, тогда как последний является частью D молекулы. [1] Большинство стриголактонов представляют вариации в части ABC, но кольцо D довольно постоянно у разных видов, что заставило исследователей предположить, что биологическая активность зависит от этой части молекулы. [1] Различные исследования показали, что активность молекул теряется, когда изменяется часть CD молекул. [1]
Поскольку стриголактоны участвуют в сигнальном пути, необходимом для прорастания паразитических видов (таких как Striga sp.), они были предложены в качестве цели для борьбы с вредителями и чрезмерным ростом этих паразитических организмов . [2] Использование молекулы, похожей на стриголактоны, может стать ключом к разработке химического и биологического механизма для остановки колонизации корня растения паразитическими растениями. [2]
Стриголактоны были впервые выделены в 1966 году из растений хлопчатника , в частности из корней. Однако их роль в прорастании других организмов была определена лишь позднее. [3] Предыдущие исследования с Striga lutea уже показали, что корневые экстракты из растений-хозяев были необходимы для того, чтобы паразитические семена начали прорастать, что сделало очевидным, что вещество, вырабатываемое в корнях, стимулировало этот процесс. [3] Выделение стриголактонов привело к серии тестов, которые доказали, что это соединение было необходимой молекулой для индукции прорастания видов Striga . [3] Позже было доказано, что похожие соединения производят тот же эффект: сорголактон и алектрол, оба они представляли характерную лактонную группу, поэтому их классифицировали как стриголактоны. [4] Чтобы вызвать прорастание паразитических растений, стриголактоны должны были присутствовать только в следовых количествах, порядка 5 частей на миллион. [3]
Роль стриголактонов как гормона- ингибитора ветвления была обнаружена благодаря использованию нового набора мутантных растений. [5] Эти мутанты продемонстрировали чрезмерный рост пазушных почек, что побудило их конечный стебель начать аномально ветвиться. [5] Ранее считалось, что цитокинины являются единственной молекулой, участвующей в регуляции ветвления стебля, но эти мутанты продемонстрировали нормальное производство и передачу сигналов цитокининов, что привело к выводу о том, что на пазушные почки действует другое вещество . [5] Различные тесты, которые заключались во вставке части растений-мутантов в дикие образцы (и наоборот), смогли продемонстрировать, что мутанты либо не способны распознавать сигнальную молекулу, исходящую от корней и нижней части растения, либо не способны производить требуемые молекулы для ингибирования ветвления. [5] Эта молекула, которая участвовала в регуляции ветвления, позже была идентифицирована как стриголактон. [5] Был сделан вывод, что в присутствии стриголактонов растение не будет перерастать и будет развивать избыточное ветвление, но в его отсутствии пазушная почка начнет вызывать ненормальное ветвление. [5]
Хотя стриголактоны различаются по некоторым своим функциональным группам, их температура плавления обычно всегда находится между 200 и 202 градусами Цельсия. [3] Разложение молекулы происходит после достижения 195 °C. [3] Они хорошо растворимы в полярных растворителях, таких как ацетон; растворимы в бензоле и почти нерастворимы в гексане . [3]
Вот некоторые примеры стриголактонов:
![]() | ![]() |
(+)-Стригол | (+)-Стригилацетат |
![]() | ![]() |
(+)-Оробанхол | (+)-Оробанхил ацетат |
![]() | ![]() |
(+)-5-Дезоксистригол | Сорголактон |
Биосинтетический путь стриголактонов до конца не изучен, но были идентифицированы различные этапы, включая необходимые ферменты для осуществления химического превращения. [6] Первый этап — изомеризация 9-й химической связи α -каротина, изменение конфигурации с транс на цис. [6] Этот первый этап выполняется ферментом α-каротинизомеразой, также называемой DWARF27 или сокращенно D27, для которого в качестве кофактора требуется железо. [6] Второй этап — химическое разделение 9-цис- каротина на два различных соединения: первое — 9-цис-альдегид, а второе — α-ионон. [6] Этот второй этап катализируется дезоксигеназой расщепления каротиноидов 7 ( CCD7 ). [6] На третьем этапе другая оксигеназа расщепления каротиноидов, называемая CCD8 (из того же семейства, что и CCD7), катализирует преобразование и перегруппировку альдегида, созданного на предыдущем этапе, в 9-цис -апо-10 и впоследствии производит карлактон . [6]
Недавние исследования выявили два параллельных пути биосинтеза стриголактона в кукурузе, оба из которых производят основной стриголактон кукурузы, зеалактон. Фермент ZmCYP706C37 катализирует несколько последовательных окислительных реакций с 3-гидрокси-MeCLA и 3-оксо-MeCLA в качестве предполагаемых промежуточных продуктов для образования зеалактона из MeCLA. Как 3-гидрокси-MeCLA, так и 3-оксо-MeCLA были успешно преобразованы в зеалактон с помощью ZmCYP706C37. Баланс между зеалактоном и двумя другими стриголактонами, зеалактолом и зеалактоновой кислотой (ZA), может быть изменен путем изменения потока через эти пути. Это открытие имеет значение для селекции устойчивости к Striga в кукурузе путем модификации смеси стриголактонов, потенциально снижая разрушительные эффекты этого паразитического сорняка в Африке . [7]
До сих пор не ясно, как именно карлактон трансформируется в различные стриголактоны, идентифицированные до сих пор, но несколько исследований доказали, что карлактон определенно является предшественником стриголактонов. [8] Этот последний этап биосинтеза должен включать добавление по крайней мере двух молекул кислорода для преобразования карлактона в 5-дезоксистригол, простой стриголактон, и для получения другого, более сложного стриголактона, должно потребоваться большее окисление. Было предложено, что белок MAX1 катализирует последний этап биосинтеза стриголактонов из-за его роли в окислительном метаболизме в растениях. [8]
И абсцизовая кислота (АБК), и стриголактоны имеют общую группу ферментов , которые осуществляют синтез двух соединений; ранее было продемонстрировано существование корреляции двух путей биосинтеза, и это было поддержано различными исследованиями. [9] [10] Биосинтез АБК основан на наборе ферментов, называемых 9-цис-эпоксикаротиноид диоксигеназой (NCED) . [10] Но мутантные растения, которые были дефектны в производстве ферментов NCED, не только представляли низкие уровни АБК, скорее они также представляли низкие уровни стриголактонов, особенно в экстрактах корней, где этот гормон в основном синтезируется; это открытие дало основу для существования общего ферментативного механизма; [10] Другие эксперименты, которые заключались в блокировании ферментов NCED и использовании мутантов, неспособных обнаруживать изменения ABA, были использованы для подтверждения этой теории. [9] До сих пор существует четкая корреляция обоих синтезов, которая связана с использованием ферментов NCED в обоих биосинтезах, но точный механизм, в котором они связаны, остается неясным. [9]
В растениях стриголактоны воспринимаются двойным рецептором/гидролазным белком DWARF14 (D14), членом суперсемейства α/β-гидролаз . Несмотря на то, что они считаются гидролазами с плохим оборотом субстрата , для биологической функции белка требуется неповрежденная каталитическая триада . [11] Исследования молекулярной динамики показали, что карман связывания лиганда является гибким и что каталитическая триада играет важную роль в связывании и позиционировании лиганда. [12] [13] Было предложено несколько (частично конкурирующих) моделей участия каталитической триады в восприятии лиганда:
Кинетические результаты показали, что неповрежденный стриголактон запускает каскад сигналов, после чего в качестве последнего шага инактивации молекулы стриголактона осуществляется гидролиз. [22]
Известно, что стриголактоны стимулируют прорастание спор арбускулярной микоризы . [23] Поскольку они производят этот эффект при чрезвычайно низких концентрациях, было высказано предположение, что механизм активации должен быть сигнальным путем. [23] Различные исследования с различными типами грибов показали, что после стимуляции стриголактонами грибковые клетки представляют большее количество митохондрий и увеличивают их окислительную активность. [23] Из-за роли митохондрий в окислительном метаболизме макроэлементов считается, что споры остаются неактивными до нахождения растения-хозяина, и как только они стимулируются стриголактонами, окислительный аппарат в митохондрии активируется для производства энергии и питательных веществ, необходимых для прорастания споры и ветвления гриба. [23] Исследования с экстрактами корней подтверждают эту гипотезу, и на данный момент стриголактоны являются молекулами-кандидатами, которые лучше всего объясняют это повышение активности митохондрий. [23]
Установлено, что вторичный рост растений в основном регулируется фитогормоном ауксином . [24] Однако механизм секреции ауксина в то же время регулируется стриголактонами, поэтому последние могут контролировать вторичный рост посредством ауксина. [24] При применении в терминальных почках стебля стриголактон может блокировать экспрессию транспортных белков, необходимых для перемещения ауксина через почки, эти белки называются PIN1. [24] Таким образом, неудивительно, что при анализе мутантов с дефицитом стриголактона было обнаружено, что у них наблюдается повышенная экспрессия белка PIN1 , который облегчает транспорт ауксина в терминальных почках; ауксин предотвращал митотическую активность этих почек, останавливая инициирование растением вторичного роста и ветвления. [24] В заключение следует сказать, что растения зависят от транспорта ауксина для инициации или ингибирования вторичного роста , но этот транспортный механизм зависит от продукции стриголактонов, которые могут легко перемещаться от места продукции (корней) к конечным почкам стебля через ксилему. [24]
Стриголактоны играют фундаментальную роль во взаимодействии растений и грибов. [25] Одно из первых исследований, проведенных на Lotus japonicus, уже продемонстрировало, что соединения, извлеченные из корня, необходимы для развития арбускулярных микоризных грибов , которые установят симбиотические отношения с корнем растения. [25] Эти же выводы были верны для различных растений, таких как кукуруза и сорго . [25] Позднее были выделены соединения, ответственные за ветвление арбускулярных грибов, и они включают 5-дезоксистригол, стригол и сорголактон, все они принадлежат к семейству соединений стриголактона. [26] [25] Процесс ветвления имеет решающее значение для установления симбиоза . [25] Поскольку это ветвление происходит только после прорастания спор и начального роста гифы, стриголактоны, необходимые для прорастания, должны секретироваться растением и поступать к грибам, что означает, что стриголактоны также являются частью процесса распознавания грибами. [25]
Поскольку arbuscula mychorriza может образовывать симбиотические ассоциации с большинством покрытосеменных и многими голосеменными , ожидается, что различные соединения стриголактонов будут обнаружены в целом ряде растений . [26] К сожалению, хотя стриголактоны предположительно присутствуют в большинстве растений, исследования, проведенные со стриголактонами и АМ-грибами до сих пор, изучили только очень ограниченный круг видов растений, в основном из-за сложности извлечения этих соединений и из-за их легкости распада в растворе . [26]
Стриголактоны необходимы не только для распознавания растения грибами, они также требуются для распознавания грибов растением. [27] Механизм распознавания грибов происходит аналогично распознаванию бактерий, таких как Rhizobia sp. [27] Было высказано предположение, что механизм распознавания бактерий произошел от механизма распознавания грибов, поскольку последний, как известно, более примитивен и древен. [27] Так же, как бактерии используют факторы Nod , грибы используют набор молекул, называемых фактором Myc. [27] Эти грибковые продукты могут распознаваться разными растениями и не предназначены для специфичности к растениям. [27] Когда эти факторы Myc распознаются корнем растения, они стимулируют экспрессию различных генов, участвующих в инициировании симбиотической ассоциации. [27] Однако секреция фактора Myc грибами происходит только после предварительной стимуляции стриголактонами из растения, что демонстрирует необходимую роль этих соединений для обоих видов распознавания (грибами и растениями). [27] Также сообщалось, что стриголактоны вызывают другие изменения в клетках грибов, такие как увеличение концентрации внутриклеточного кальция и увеличение липохитоолисахаридов (LCO), последний, как было доказано, является одним из факторов Myc, вырабатываемых грибами для его распознавания растением. [27]
Одной из основных функций арбускулярных грибов, находящихся в симбиотической ассоциации с растениями, является обеспечение растений питательными веществами в почве, особенно фосфатом . [28] Таким образом, когда уровень фосфата в зоне истощения становится действительно низким, растение в основном зависит от АМ-грибов для удовлетворения своих потребностей в фосфате. [28] Исследования с растениями томата показали, что, когда растения испытывают дефицит фосфата, они производят большее количество стриголактонов, что, в свою очередь, увеличивает ветвление АМ-грибов. [28] Ожидается, что это избыточное развитие грибов обеспечит дополнительный фосфат, необходимый растению, поскольку грибы теперь могут распространяться на большее количество участков почвы. [28] Однако, поскольку стриголактон также стимулирует прорастание паразитических растений, эти растения с дефицитом фосфата также демонстрируют более высокую инвазию паразитических видов, таких как Striga sp. [28] Было доказано, что обеспечение адекватного количества фосфата посредством удобрения почвы снижает размножение этих паразитов , поскольку для их прорастания необходим стриголактон. [28]