摘要：不定根是許多高等須根系植物中根系的主體，是植物固定在土壤中以及吸收利用養(yǎng)分和水分的重要器官，在禾本科植物中有著重要的意義。介紹了不定根的形態(tài)和生理特征以及發(fā)生發(fā)育過程，綜述了近年來不定根發(fā)育方面的研究成果，總結(jié)了生長素信號及運輸路徑、乙烯和細胞分裂素對植物不定根發(fā)育的影響。

關(guān)鍵詞：禾本科植物；不定根；發(fā)育；生長素

中圖分類號：Q944.54 文獻標識碼：B 文章編號：0439-8114（2013）16-3757-05

高等植物是通過根系從土壤中吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的，此外根系還對植物體具有支撐和固定作用，故植物根系的構(gòu)型與植物礦質(zhì)營養(yǎng)和水分的吸收利用效率息息相關(guān)[1]。植物的根系可分為兩類：以雙子葉植物為代表的直根系（Tap root system）和以單子葉植物為代表的須根系（Fibrous root system）。雙子葉模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）有著明顯的主根（Primary root），但很少形成不定根（Adventitious root），對于大多數(shù)重要的禾本科糧食作物，如水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、小麥（Triticum aestivum L.）等而言，由于種子根在生長早期便衰老死亡，因此由胚后發(fā)育所形成的不定根在后期的營養(yǎng)供應中占據(jù)著主導地位[1]。

水稻和玉米都是典型的須根系植物，種子萌發(fā)后2～3 d形成胚性主根（種子根），種子根發(fā)生3～4 d后，在植物的不同節(jié)位從下到上依次發(fā)生不定根[2]，亦稱莖生根（Shoot-borne root）、冠根（Crown root）或支持根（Brace root）等[2]。水稻由莖節(jié)處產(chǎn)生的大量不定根組成了水稻主要的地下部分，它們與養(yǎng)分的高效吸收、抗淹水及抗干旱脅迫能力密切相關(guān)。此外，對不定根發(fā)生發(fā)育機理的研究還將有助于利用根系育種學的理論對根構(gòu)型進行遺傳改良，對提高禾本科植物的礦質(zhì)營養(yǎng)吸收效率、減輕作物對礦質(zhì)營養(yǎng)肥料的依賴、合理利用水資源以及緩解富營養(yǎng)化危機等方面都有著重大的理論和實踐意義[1，2]。

1 不定根的生理特征及發(fā)生發(fā)育過程

在形態(tài)結(jié)構(gòu)上，不定根與主根和側(cè)根的構(gòu)造幾乎完全相同，都包括表皮（Epidermis）、皮層（Cortex）、內(nèi)皮層（Endodermis）和中柱鞘（Pericycle）等結(jié)構(gòu)，具有根冠（Root cap）、分生區(qū)（Meristematic zone）、伸長區(qū)（Elongation zone）和根毛區(qū)（Root hair zone）等特征。它們的發(fā)育過程都涉及到根頂端的少數(shù)干細胞（Stem cell）進行各種方式的分裂和分化，膨脹的細胞經(jīng)過調(diào)節(jié)最終產(chǎn)生各種類型的根，但它們在發(fā)育的細節(jié)上卻存在很大差異[1，2]。

不定根的發(fā)育與側(cè)根的發(fā)育具有很多相似之處。有學者根據(jù)對水稻的研究結(jié)果將不定根的發(fā)生發(fā)育過程劃分為12個連續(xù)的階段，也有學者將其簡化為7個階段[2]。圖1以水稻為例詳細介紹了所經(jīng)歷的這7個過程：A.起始細胞的確立；B.表皮、內(nèi)皮層、中柱和根冠起始細胞的建立；C.表皮層和內(nèi)皮層細胞的分化；D.皮層細胞的分化；E.根器官基本結(jié)構(gòu)的建立；F.細胞開始伸長及液泡化；G.不定根的出現(xiàn)。其中不定根原基的起始是最關(guān)鍵的一步，它起始于中柱鞘最內(nèi)層的分生細胞，這些鄰近維管束（Vascular bundle）的細胞通過1～2次的平周分裂形成了原基起始細胞，然后經(jīng)過平周分裂后產(chǎn)生內(nèi)外兩層，內(nèi)層細胞逐步發(fā)育成維管組織，外層細胞分化為表皮、內(nèi)皮和根冠，邊緣部分的細胞分化為皮層，并不斷分裂增加皮層數(shù)目，到這個階段不定根原基基本形成。在正常發(fā)育過程中，水稻的各個節(jié)位都有不定根原基發(fā)生，但是一般只有在未伸長的基部節(jié)位的不定根原基才能發(fā)育成熟并最終突破表皮形成不定根[2]。

2 生長素對不定根發(fā)生發(fā)育的影響

生長素在植物體的生長和發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用，影響著包括不定根在內(nèi)的整個植物根系系統(tǒng)的發(fā)育。生理學試驗表明，不管是添加人工合成的生長素如α-萘乙酸（NAA）或二氯苯氧乙酸（2，4-D）[3]，還是添加植物內(nèi)源性的生長素如吲哚乙酸（IAA），都可以顯著地影響整個植物的根系構(gòu)型[3-6]。一定濃度生長素可以抑制根系生長、促進細胞分化；同時加強根系分生組織的細胞分裂，促進側(cè)根和不定根的形成[3-6]。根據(jù)前人的研究，可將這些生長素調(diào)控根系發(fā)育的途徑歸納成兩條，即生長素信號反應調(diào)控的根系發(fā)育和生長素運輸及分布控制的根系發(fā)育。

2.1 生長素信號反應相關(guān)的路徑對不定根發(fā)育的影響

生長素信號系統(tǒng)是一個非常復雜的網(wǎng)絡(luò)，對不定根的形成和發(fā)育也有很大影響。低濃度生長素水平下Aux/IAA蛋白相對比較穩(wěn)定，能夠與ARF（Auxin response factor，生長素反應因子）蛋白形成二聚體，從而削弱ARF蛋白與生長素響應基因（Auxin response gene）啟動子內(nèi)的生長素響應元件（Auxin responsive element，AuxRE）的結(jié)合能力。生長素濃度升高時，生長素加強了生長素受體TIR1 （Transport inhibitor resistant 1）與Aux/IAA蛋白的結(jié)合[5]，TIR1的F-box指導Aux/IAA 蛋白進行多聚泛素化，從而被蛋白酶體降解，使得游離狀態(tài)的ARF蛋白的數(shù)目增多，調(diào)節(jié)下游基因的轉(zhuǎn)錄[5]。

生長素信號還與小分子RNA（micro RNA，miRNA）和小分子干涉RNA（small interfering RNA，siRNA）存在互作。如在根冠發(fā)育中，ARF10和ARF16都是miR160作用的靶標[6]；而在幼苗到成苗轉(zhuǎn)變過程中，ARF3就由TAS3（Trans-acting siRNA）調(diào)控[6]。miRNA 還能將含有F-box的生長素受體TIR1、AFB2（Auxin signaling F-Box 2）、AFB3（Auxin signaling F-Box 3）的mRNA 作為靶標進行降解，從而阻止生長素信號的傳遞[6]。

生長素還可影響OsIAA3基因的表達，改變ARF對轉(zhuǎn)錄因子ARL1或CRL1基因的轉(zhuǎn)錄，因此ARL1發(fā)生突變后，由于生長素信號受阻導致水稻的不定根原基發(fā)生受阻，致使不定根數(shù)目缺失或急劇減少[7-9]。進一步研究表明ARL1是一類LOB蛋白，若將其在擬南芥中表達會導致不定根的出現(xiàn)，表明這類基因是一種不定根發(fā)生的關(guān)鍵基因（其作用機理見圖2）。而玉米的RTCS基因也有LOB結(jié)構(gòu)域，與ARL1/CRL1有極高同源性[10]，突變后胚性種子根和胚后發(fā)育的莖生根系缺失，且主根向地性反應力下降。此外，水稻的OsIAA14發(fā)生突變后，導致自身無法被泛素介導的蛋白酶體降解，從而使不定根缺失或減少[11]。OsRAA1（Oryza sativa root architecture associated 1）也是一類生長素反應基因，增強表達后水稻的主根變短、不定根增加[12]。

2.2 生長素運輸對不定根發(fā)育的影響

生長素影響著植物細胞的分化，因此在根尖維持合適的生長素濃度對于根的發(fā)育非常重要[3，4]。生長素一般在幼嫩的芽和葉尖合成，需要通過極性運輸將頂部合成的生長素轉(zhuǎn)運到植株其他各個部分。HFCA（9-hydroxyfluorene-9-carboxylic acid， 一種生長素極性運輸抑制劑）處理胚芽鞘可導致不定根減少，NPA（Naphthyl phthalamic acid，萘基鄰氨甲酰苯甲酸，另一種生長素極性運輸抑制劑）處理水稻幼苗后側(cè)根和不定根都減少，說明生長素的極性運輸對于根系的發(fā)生發(fā)育至關(guān)重要[13]。

IAA、NAA、2，4-D 3種生長素在植物體內(nèi)的運輸方式各不相同。NAA的運輸需要輸出載體（Efflux carrier）才能得以完成；2，4-D則依賴于輸入載體（Influx carrier）；而IAA的運輸既需要輸入載體又需要輸出載體[3]。輸入載體（主要是AUX1家族）和輸出載體（主要是PIN家族）都不對稱地分布在細胞的一端。AUX1主要分布在維管組織，可以將生長素運送到胞內(nèi)，其中AUXR4（Auxin resistant 4）蛋白調(diào)控著這一過程[14]。PIN 蛋白主要負責將生長素從胞內(nèi)運輸?shù)桨?，研究表明如果改變一些PIN蛋白的表達，則植物體不定根的數(shù)量會發(fā)生顯著變化[13]；一些生長素極性運輸抑制劑可抑制PIN蛋白的活性，從而抑制生長素的外向運輸[13，14]。

生長素極性運輸一旦受到抑制，生長素在體內(nèi)的分布則會發(fā)生紊亂，故與生長素運輸相關(guān)的突變體常表現(xiàn)出發(fā)育異常。如aux1（auxin resistant 1）突變體根的向地性喪失，且具有抗生長素的表型[11]。但它對不同類型生長素的敏感性不同，對NAA比對IAA和2，4-D敏感，而且NAA可使突變體幼苗恢復向地性，這是因為IAA和2，4-D主要經(jīng)輸入載體輸入細胞，而NAA主要通過被動擴散輸入細胞，所以輸入載體的缺陷對NAA的運輸沒有任何影響[14]。在水稻的Osgnom突變體中，不定根的發(fā)生發(fā)生障礙，其原因就在于影響生長素極性運輸?shù)腜IN蛋白的表達發(fā)生了改變[15]。

此外，其他一些參與生長素極性運輸和動態(tài)穩(wěn)定的基因發(fā)生突變后也會影響不定根及其他相關(guān)根系結(jié)構(gòu)。sur和sur2這兩個突變體胚軸內(nèi)源性生長素濃度升高，導致胚軸發(fā)生不定根[16]。wol-3突變體也能夠在胚軸發(fā)生不定根，進一步研究發(fā)現(xiàn)這是由于突變體的木質(zhì)部和木質(zhì)部薄壁組織細胞減少，導致生長素的運輸能力減弱，聚集在胚軸上的生長素誘導了不定根的發(fā)生[17]。此外反義抑制OsCKI1（Oryza sativa casein kinase I1）的轉(zhuǎn)基因水稻根系的生長素濃度降低，導致側(cè)根和不定根減少[18]。

擬南芥中axr3突變體表現(xiàn)出增加的頂端優(yōu)勢，對生長素的敏感性發(fā)生了變化，根變短同時出現(xiàn)許多不定根，但用10-6 mol/L的6-BA（6-Benzylaminopurine，6-芐基腺嘌呤）處理，axr3突變體的不定根消失了，表明生長素控制根系發(fā)生發(fā)育的路徑與細胞分裂素有關(guān)[17]。

3 其他激素對不定根發(fā)育的影響

3.1 細胞分裂素對不定根發(fā)育的影響

細胞分裂素可抑制根原基細胞由G2期向M期轉(zhuǎn)變，從而影響不定根的發(fā)育[17]。將CKX（Cytokinin Oxidase，細胞分裂素氧化酶）基因超表達，會導致體內(nèi)細胞分裂素含量下降，根分支加劇，不定根增多[17]。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，水稻的Oscand1突變體其不定根的伸長生長發(fā)生障礙，不定根原基在細胞周期中G2/M轉(zhuǎn)換被中止[18]。

細胞分裂素和生長素在根系發(fā)育的調(diào)控上起著拮抗的作用，生長素可促進側(cè)根和不定根的發(fā)生[5]，細胞分裂素則抑制側(cè)根和不定根的發(fā)生[17]。由于細胞分裂素對側(cè)根的抑制效果無法通過重新施加外源生長素來恢復[19]，故有學者認為細胞分裂素和生長素對于根系發(fā)生發(fā)育的調(diào)控可能是通過不同的途徑。Kitomi等[20]從水稻中分離到一個與生長素信號相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子Crown rootless5，突變后不定根的發(fā)生受阻，進一步研究發(fā)現(xiàn)它是通過細胞分裂素信號來發(fā)揮作用的。但細胞分裂素和生長素是否在同一條路徑上起作用，還需要進行深入的探討[14]（圖3）。

3.2 乙烯對植物不定根發(fā)育的影響

乙烯在植物不定根的生長過程中起著非常重要的作用。在水稻正常發(fā)育過程中，雖然各個節(jié)位都可以發(fā)生不定根原基，但只有基部節(jié)位的原基才能形成不定根，上部節(jié)位的原基一直保持原基狀態(tài)并被節(jié)位表皮所覆蓋，其原因就在于基部的原基在淹水條件下通過增加乙烯的合成和積累，誘導了不定根原基的生長，而上部節(jié)位的不定根原基缺乏乙烯信號的誘導[21]。此外淹水和乙烯信號還可誘導不定根原基外的表皮細胞的死亡，這有利于不定根的出現(xiàn)[17]。IAA能調(diào)控乙烯生物合成的速度，但用NPA處理，不能阻斷乙烯誘導的不定根的生長[21]，而且生長素處理后的原基少許生長可能是由于生長素誘導乙烯的生物合成造成的，它能被NBD（2，5-norbornadiene，一種乙烯作用抑制劑）阻斷[21]， 這一系列試驗說明乙烯可以部分獨立于生長素而發(fā)揮作用。另外，研究表明乙烯可以通過調(diào)節(jié)AUX1蛋白的活性和IAA的運輸來影響側(cè)根發(fā)生[21]。

Aloni等[22]提出了細胞分裂素、生長素和乙烯3種激素聯(lián)合調(diào)控側(cè)根發(fā)生的模型，認為促進側(cè)根發(fā)生的主要信號是生長素，IAA從幼葉合成后按照極性運輸?shù)姆绞酵ㄟ^中柱鞘和分化的木質(zhì)部到達根尖，而由根尖合成的細胞分裂素通過維管柱向上運輸。決定側(cè)根發(fā)生部位的乙烯可以在分化的DPV（Protoxylem vessel，原生木質(zhì)部導管）內(nèi)合成。側(cè)根起始最初階段很可能是DPV內(nèi)乙烯合成后憑借滲透方式擴散到鄰近的組織，在特定區(qū)域抑制IAA在中柱鞘的運輸，迅速積累的IAA刺激了中柱鞘分生細胞的分裂，使得側(cè)根原基在木質(zhì)部附近起始。根尖高濃度的細胞分裂素起著與生長素相反的作用，抑制側(cè)根原基的發(fā)生，距離根尖較遠的伸長區(qū)以上部位的側(cè)根就能夠發(fā)生。

4 影響不定根發(fā)生發(fā)育的其他因素

除了植物激素影響不定根的發(fā)生發(fā)育外，其他一些條件也會影響不定根的形成。如擬南芥種子萌發(fā)后進行暗處理，在伸長的胚軸上能夠發(fā)生一定數(shù)目的不定根[23]；又如外植體在培養(yǎng)基上可形成不定根[24]。事實上在這些條件下所形成的不定根或多或少與激素有關(guān)。如AGO1（ARGONAUTE 1）基因編碼一個RNA剪切酶（RNA slicer enzyme），該酶可剪切被micro RNA靶定的mRNA[6]。ago1突變體在黑暗條件下萌發(fā)后，其伸長的胚軸上發(fā)生的不定根明顯減少；同時內(nèi)源性IAA濃度降低，胚軸處GH3等生長素響應基因表達下降以及ARF17表達上升[6]。在植物體中還有一些特殊的轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控著根系發(fā)育，主要有GRAS、Wuschel、ALF4等轉(zhuǎn)錄因子。同屬GRAS轉(zhuǎn)錄因子家族的SHR（Short Root）與SCR（Scarecrow）其突變體都有短根的表型，并且其皮層和內(nèi)皮層都被一層突變的細胞層所代替[25]。在scr突變體中，突變層具有皮層和內(nèi)皮層的雙重特性，表明SCR基因是起始細胞平周分裂所必需的，但不參與細胞分化[25]。在shr突變體中， 突變層只具有皮層細胞的特性，表明SHR基因不但參與原始細胞的平周分裂，而且還參與內(nèi)皮層細胞的分化[25]。此外，還參與了SCR基因的轉(zhuǎn)錄激活。

水稻QHB（Quiescent center specific homeobox）是在水稻根尖靜止中心表達的基因，此外它還在不定根原基起始時的平周分裂細胞中表達，它與擬南芥Wuschel基因結(jié)構(gòu)同源，研究發(fā)現(xiàn)QHB基因增強表達的轉(zhuǎn)基因水稻不能產(chǎn)生不定根并且缺少不定根原基[26]。

5 展望

高等植物，特別是一些禾本科植物，其不定根的發(fā)生發(fā)育在營養(yǎng)和水分吸收方面扮演著極其重要的角色。要進一步探明整個植物不定根發(fā)生發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，還需要從以下幾個方面進行研究。

1）結(jié)合表型與細胞觀察、分子生物學、生物信息學和遺傳學手段對控制不定根發(fā)生發(fā)育的相關(guān)基因進行分析，特別是對其上游信號進行研究，明確不定根發(fā)育的調(diào)控機理。

2）利用已有的不定根發(fā)育的調(diào)控機理開展根系育種學實踐研究。

3）開展不定根發(fā)育缺陷的突變體研究，豐富不定根發(fā)育理論。

4）探索環(huán)境信號因子對不定根發(fā)育的影響，豐富內(nèi)源和外源性植物激素調(diào)控不定根發(fā)育的理論。

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