合成细胞分裂素模拟物CADs在植物离体再生中的能力评估及其应用潜力

　　本研究针对植物组织培养中天然细胞分裂素(如kinetin和zeatin)应用的限制，合成了新型细胞分裂素活性成分(Cytokinin-Active ingreDients, CADs)，并系统评估了其在虎尾兰(Sansevieria trifasciata)离体再生和烟草(Nicotiana tabacum)幼苗生长中的效应。结果表明CAD-A(0.9 mg L-1)和CAD-B(0.3 mg L-1)在促进芽增殖、叶片发生和根系发育方面显著优于传统细胞分裂素，为植物离体繁殖提供了高效新型替代方案，对植物生物技术发展具有重要意义。

　　

在植物生长发育的精密调控网络中，细胞分裂素(cytokinins)作为关键植物激素，逾一个世纪以来一直是科学研究的热点。这类激素通过调控细胞分裂、芽器官发生和衰老延迟等核心过程，在植物发育生理和环境应答中扮演着中枢角色。然而在植物离体再生技术领域，传统细胞分裂素如激动素(kinetin)和玉米素(zeatin)的应用仍存在明显局限性——包括化学稳定性不足、生物活性受限以及成本效益不高等问题，严重制约了植物微繁殖技术的效率提升和规模化应用。

面对这些挑战，研究人员开始将目光转向合成生物学解决方案。近年来，通过化学或酶学途径调控内源细胞分裂素，或开发能够模拟天然细胞分裂素功能的新型化合物——即伪细胞分裂素(pseudo-cytokinins)，已成为植物生物技术领域的前沿方向。例如已有研究团队发现特定氧铵阳离子(oxoammonium cations)能够作为人工去异戊烯基酶，在活体植物中选择性促进iP/iPR的去异戊烯化反应；还有研究采用生物正交方法在活细胞中对iP/iPR进行后期修饰，成功将其转化为新型细胞分裂素cnm⁶A。这些合成类似物可能具备改进的稳定性、降低的毒性、更高的靶向通路特异性以及生物相容性等优势，有望显著提升多种植物物种的再生效率。

在此研究背景下，来自戈尔甘农业科学与自然资源大学园艺科学系的Mahboobeh Mazinani、Mostafa K. Sarmast、Azim Ghasemnezhad和Liang Cheng研究团队在《Advanced Agrochem》发表了创新性研究成果。该研究通过化学合成多种细胞分裂素活性成分(Cytokinin-Active ingreDients, CADs)，系统评估了其对虎尾兰(Sansevieria trifasciata)离体再生和烟草(Nicotiana tabacum)幼苗生长的影响，并与传统细胞分裂素kinetin和zeatin进行了活性比较。

研究团队主要采用了有机合成化学方法制备CAD化合物，通过核磁共振波谱(1H NMR)和元素分析进行结构表征；利用植物组织培养技术进行离体再生实验，以虎尾兰叶片外植体为材料，在MS培养基中添加不同浓度CADs进行芽增殖诱导；采用烟草幼苗生物测定法评估CADs对幼苗生长和根系发育的影响；运用方差分析和Pearson相关性分析等统计方法处理实验数据。

研究结果方面：

在"芽增殖能力评估"部分，研究发现CADs对虎尾兰芽增殖表现出强烈刺激作用。CAD-A在0.9 mg L^-1浓度下与0.1 mg L^-1的cycl-iP表现出最高的芽增殖活性，与0.3 mg L^-1玉米素处理无显著差异。每个外植体平均产生3个增殖芽，与0.3 mg L^-1激动素处理效果相当，证明CAD-A和CAD-B在离体培养条件下具有不同的芽增殖能力。

在"叶片发生促进效应"部分，研究显示不同化合物和浓度对每个外植体产生的总叶片数有显著影响。CAD-A在0.9 mg L^-1浓度下与0.3 mg L^-1激动素同为诱导叶片生产的最有效浓度。CAD-B在0.3 mg L^-1浓度下与cycl-iP同样有效促进叶片生产，与CAD-A在0.9 mg L^-1下的效果无显著差异。

在"相关性分析"部分，通过Pearson相关矩阵计算发现CAD-B与激动素之间存在强正相关性，支持CAD-B在组织培养条件下具有细胞分裂活性的观点。

在"生长促进效果"部分，研究证实0.3 mg L^-1激动素显著改善芽长度，在该浓度下观察到最长叶片。有趣的是，相同浓度的CAD-A、CAD-B和cycl-iP对芽生长表现出相似效应，证实这些合成细胞分裂素促进芽生长和发育的能力。

在"烟草幼苗生长影响"部分，研究发现暴露于CAD-B的烟草幼苗根数较对照植株显著增加，该处理效果与相同浓度激动素无显著差异。除根系发育外，暴露于CAD-B和激动素处理的烟草幼苗株高增加超过两倍。

研究结论与讨论部分指出，在测试的化合物中，cycl-iP表现出与天然细胞分裂素(如iP和zeatin)的结构和功能相似性。其刺激芽和根生长的能力表明它可能作为有效的细胞分裂素模拟物。相比之下，CADs似乎作为iP/iPR清除剂发挥作用，可能降低内源细胞分裂素水平。尽管存在这种假定消耗，CAD处理的植株仍表现出与zeatin处理对照相似的生长增强，这一悖论强调需要深入理解CADs促进发育的潜在机制。

CADs在作为细胞分裂素清除剂的同时促进芽/根增殖的明显悖论，可以通过AHK–ARR框架和快速局部信号传导来解释。CADs可能在分生组织中产生细胞分裂素微域或瞬时感知(AHK受体)，触发B型ARR反应，而不引起组织范围内细胞分裂素的升高。它们还可能调节受体敏感性或ARR磷酸化动力学，产生强大的局部输出，并偏向某些ARR亚型的信号传导，或改变IPT/CKX反馈。此外，CADs可能影响细胞分裂素运输以及与生长素、茉莉酸和赤霉素途径的交叉对话，从而增强分生组织活性。

值得注意的是，尽管CAD-A和CAD-B在侧链上的结构差异极小，但它们之间观察到的 distinct 生物学效应表明，细胞分裂素类似物上的化学取代基能够显著影响其活性和特异性。这些发现共同强调了小分子无论是作为模拟物(如cycl-iP)还是清除剂(如CADs)，都能够在不需要遗传操作的情况下调节内部细胞分裂素活性，这为植物生物技术和作物改良的实际应用开辟了新途径。

综上所述，该研究提供了令人信服的证据，表明化学合成的细胞分裂素活性化合物——包括细胞分裂素模拟物如cycl-iP和iP/iPR清除剂如CAD-A和CAD-B——能够在离体条件下有效促进虎尾兰和烟草的芽和根发育。这些小分子在不需要遗传修饰的情况下调节细胞分裂素活性的能力，为增强植物再生和繁殖提供了一种有前景且多功能的策略。鉴于细胞分裂素在调节关键发育过程中的核心作用，这些发现为开发更高效、可定制且可能具有物种特异性的组织培养方案提供了新机遇。此外，结构相似化合物引发的不同反应强调了化学结构在细胞分裂素功能中的重要性，需要进一步研究其信号通路和代谢命运。随着全球农业面临对可持续和可扩展植物生产系统日益增长的需求，合成细胞分裂素类似物的应用代表了植物生物技术领域的宝贵进步。