獨腳金內酯(Strigolactones，SLs)是一類由類胡蘿卜素衍生而來的丁烯酸內酯化合物。作為重要的植物內源激素，獨腳金內酯在植物生長發(fā)育的多個方面(如分枝、根系形態(tài)等)發(fā)揮調控作用。越來越多的研究表明，獨腳金內酯還能作為根際信號被某些真菌和細菌所感知，進而調控它們與植物的互作。這些發(fā)現(xiàn)引出了有趣的科學問題：獨腳金內酯如何被不同生物類群所感知、轉導和代謝?在植物、真菌和細菌中，相關分子機制是否存在進化上的關聯(lián)?

在植物中，獨腳金內酯受體是由D14/KAI2基因編碼的α/β水解酶，該水解酶具有感知和水解獨腳金內酯的雙重功能。先前研究表明，植物的D14/KAI2是通過水平基因轉移(Horizontal gene transfer，HGT)起源于變形菌門細菌的RsbQ基因，形成橫跨植物與細菌的D14/KAI2/RsbQ(DKR)家族。RsbQ基因的獲取不僅是植物建立獨腳金內酯信號系統(tǒng)的關鍵一步，也代表了植物適應陸地環(huán)境的重要創(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，也被證明具有獨腳金內酯結合與水解活性，并且能夠介導該真菌對獨腳金內酯的響應。這表明CpD14 在真菌中是獨腳金內酯信號系統(tǒng)的關鍵組分，也是潛在的獨腳金內酯受體。

為了全面評估CpD14同源序列的分布，研究人員在多個生物基因組數(shù)據(jù)庫中進行了廣泛的搜索比對。結果發(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細菌當中，形成了跨越真菌與細菌的CpD14-like(CDL)家族(圖1)。進一步的分析表明，CDL最可能起源于細菌，在約4.5億年前通過一次水平基因轉移事件，從放線菌處轉移到錘舌菌類真菌共同祖先當中。有趣的是，CDL基因多被與陸生植物相關的病原真菌、內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，獨腳金內酯的生物合成途徑約在5億年前從陸生植物當中演化出來，且獨腳金內酯最初可能是作為植物與真菌的根際共生信號，而非內源激素發(fā)揮作用。鑒于真菌中CDL的水平獲取時間緊隨其后，若CDL最初被錘舌菌類真菌用于識別和響應植物的獨腳金內酯信號，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X射線晶體衍射技術，研究人員解析了一個具有高分辨率的CDL代表性蛋白結構，該蛋白來自放線菌Microlunatus sagamiharensis，被命名為MsCDL(圖2)。進一步分析表明，CDL與DKR蛋白共享保守的核心“α/β折疊”結構以及催化三聯(lián)體的空間位置。但不同于DKR，CDL的蓋子結構包含兩條額外的短α螺旋(αS1-αS2)，且其αT1-αT2螺旋旋轉約90度形成三角形的蓋子上部。盡管蓋子結構不同，CDL的配體結合口袋與DKR類似。分子對接模擬顯示，典型的獨腳金內酯分子能穿過CDL的蓋子結構并結合在其口袋內。這些結果表明，CDL與DKR是兩種不同結構類型，但分子功能趨同的α/β水解酶。

通過生物化學實驗，研究人員探討了獨腳金內酯結合與水解活性在CDL與DKR蛋白中如何演化。實驗結果表明，變形菌RsbQ和放線菌CDL蛋白對不同類型的獨腳金內酯表現(xiàn)出不同程度的親和力、水解活性和構象變化，說明細菌α/β水解酶已經(jīng)具備結合和水解獨腳金內酯的功能活性，代表了一種進化上的預適應(pre-adaptation)。植物D14/KAI2和真菌CDL蛋白在繼承這些功能活性的同時，通過與獨腳金內酯的互作，逐漸演化出更適合其生物學功能的配體選擇性特征。

基于現(xiàn)有的認知，研究人員提出一個獨腳金內酯信號系統(tǒng)在不同生物類群中的演化路徑模型(圖3)：在植物產(chǎn)生獨腳金內酯之前，細菌已演化出多種α/β水解酶(如RsbQ和CDL)用于裂解丁烯酸內酯或相似的酯類。這些α/β水解酶的結構框架決定了其具有獨腳金內酯結合與水解活性的潛力。約9億年前，變形菌RsbQ基因通過水平轉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。在獨腳金內酯的生物合成途徑于約5億年前從陸生植物中演化出來后，D14/KAI2作為受體被納入植物的獨腳金內酯信號系統(tǒng)當中。在真菌中，放線菌CDL基因在約4.5億年前通過獨立的水平轉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，結構和功能上預適應的RsbQ與CDL蛋白可通過簡單的氨基酸替換，在真菌和細菌中演化為特定類型的獨腳金內酯受體或響應蛋白。該研究不僅證明功能預適應基因的獨立水平轉移事件可以引發(fā)重大創(chuàng)新性狀的趨同演化，還為跨界生物類群中獨腳金內酯信號系統(tǒng)的起源與演化提供了新見解。

相關研究成果以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)表于植物學知名期刊Molecular Plant。中國科學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、關艷龍副研究員、王雙華副研究員、孫航院士，大連民族大學王路路講師，以及中國藥科大學汪哲教授參與了此項研究工作。研究得到國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、云南省“興滇英才支持計劃”、云南省基礎研究計劃、國家重點研發(fā)計劃、青藏高原二次科考，以及澳大利亞研究理事會卓越中心等基金項目的支持。

圖1 真菌CDL基因家族起源于放線菌門細菌

圖2 DKR與CDL蛋白的結構特征與比較

圖3 獨腳金內酯信號系統(tǒng)在不同生物類群中的演化路徑模型