李志康 嚴冬 薛張逸 顧逸彪 李思嘉 劉立軍 張耗 王志琴 楊建昌 顧駿飛

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細胞分裂素對植物生長發(fā)育的調控機理研究進展及其在水稻生產中的應用探討

李志康 嚴冬 薛張逸 顧逸彪 李思嘉 劉立軍 張耗 王志琴 楊建昌 顧駿飛*

(揚州大學 江蘇省作物遺傳生理國家重點實驗室培育點/糧食作物現(xiàn)代產業(yè)技術協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 揚州 225009；*通訊聯(lián)系人，E-mail: gujf@yzu.edu.cn)

細胞分裂素(cytokinin, CTK)對植物的形態(tài)、生理及產量有重要調控作用，是調控氮素吸收、轉運與代謝的主要因子之一。本文概述了氮素的吸收、轉運、代謝以及CTK的代謝、轉運和信號轉導路徑，重點闡述了CTK與氮素協(xié)作調控根-冠關系的生理機制，即反式玉米素(Z)及其核苷(ZR)受氮素誘導在根中合成，并轉運至地上部，調控地上部氮的轉運及分布，影響氮代謝酶的生理特性，從而影響植株光合特性及產量；冠層中氮能夠誘導異戊烯基腺嘌呤(iP)及其腺苷(iPR)的合成，并通過韌皮部轉運至根系，抑制根系氮素吸收、轉運，抑制根系形態(tài)建成。在此基礎上，進一步論述了CTK在協(xié)調源-庫關系及提高籽粒充實度方面的作用，分析了栽培措施對CTK生理代謝的影響及其與作物生長相關的機理。同時探討了CTK上述功能應用于水稻大田生產時存在的問題，并對今后的研究方向提出了建議。

細胞分裂素；氮素；作物產量

水稻是我國主要的糧食作物，隨著人口增長，人們對稻米的需求量也大幅增加，其產量的提高與糧食安全問題息息相關[1]?，F(xiàn)代栽培技術雖然大幅提高了水稻產量，但是往往水、肥等資源的投入也隨之升高并且氮肥利用效率較低，同時伴隨嚴重的環(huán)境污染等問題。為此，水稻的高產高效栽培機理成為研究熱點[1-2]。氮元素作為水稻生長所必需的大量營養(yǎng)元素，與作物的形態(tài)、生理及產量密切相關，氮肥的合理運籌對氮素的高效吸收利用及產量的提高具有重要意義[3-6]。作物自身具備復雜且精細的系統(tǒng)來調控氮素吸收及轉運[7-8]。土壤中的硝態(tài)氮(NO3－)與氨態(tài)氮(NH4+)是氮的主要吸收形態(tài)[2,6,9]，其吸收主要借助氮轉運蛋白來實現(xiàn)[10-14]。氮素的吸收、轉運及氮代謝過程，同樣受到細胞分裂素(cytokinin, CTK)的影響[15-19]。此前相關研究已經表明，CTK對植物體內氮的吸收、轉運及代謝具有顯著影響，能夠通過影響植物地上部及根系的形態(tài)生理，提高植物冠層光合適應性及光氮利用效率[20-21]，最終提高產量[22-24]。在水稻生產中，合理的水、肥管理措施(增密減氮、前氮后移、輕干濕交替灌溉等)能夠顯著提高水稻產量與氮肥利用效率[20,25]。在研究其機理時發(fā)現(xiàn)，栽培措施對水稻根系、冠層及籽粒的生長發(fā)育產生了巨大影響，顯著提高水稻根系養(yǎng)分吸收能力、冠層光合同化能力、花后籽粒干物質積累的能力、結實率等[20,26]，同時也伴隨著相應部位CTK生理水平的顯著變化[27-30]。相關研究結果[1, 26, 29-30]表明CTK是調控水稻形態(tài)生理及產量的關鍵因素。然而，目前關于CTK分子機制研究主要以擬南芥為主，在水稻中研究不多，其生理機制還不清楚。為此，本文將重點闡述植物生長發(fā)育過程中氮素與CTK互作對根-冠關系以及源-庫關系的調控機理，分析栽培與化學控制等措施通過影響CTK合成代謝從而調控冠層光氮匹配及籽粒充實度的機制，討論水稻生產中存在的問題，并對今后水稻高產高效栽培研究提出建議。

1 無機氮的吸收與代謝機理

土壤中的無機氮可被植物直接吸收利用，在水淹條件下以氨態(tài)氮為主，在旱地條件下以硝態(tài)氮為主[6]。硝態(tài)氮的吸收體系有低親和體系(LATS)和高親和體系(HATS)兩種，二者分別負責高濃度及低濃度時硝態(tài)氮的吸收[6,31]。硝態(tài)氮的吸收及轉運依賴于硝酸鹽轉運蛋白NRT，主要包括NRT1和NRT2。NRT1大多屬于LATS，NRT2大多屬于HATS[32]。特定環(huán)境下，NRT1.1(CHL1/NPF6.3)屬于HATS[33-34]，具備轉運硝態(tài)氮及接收硝態(tài)氮信號的雙重功能，被稱為轉運及信號接收蛋白(transceptor)[12,34]。與NRT1不同的是，NRT2需要NAR2(NRT3.1)的協(xié)助才能轉運硝態(tài)氮[27]，例如NRT2.1、NRT2.2和NRT2.5[33,35-36]。氨態(tài)氮的吸收、轉運依賴于AMT/MEP[8]。例如，擬南芥AtAMT1;1與NRT1.1功能相似，是氨態(tài)氮的轉運及信號接收蛋白[14]；水稻中，氨態(tài)氮的吸收主要依賴于OsAMT1;1，其吸收量占氨態(tài)氮吸收總量的25%[37]。氮轉運蛋白不僅存在于根系中，而且還大量分布于冠層，它們對根系及冠層生長發(fā)育有重要調控作用[11,16,38-40]。

土壤中的氮元素進入植物體內，部分將直接同化并儲存在根系中，但是大部分將被運輸?shù)降厣喜坎⑴c氮素的同化[6,14,40]。氮素的同化主要借助硝酸還原酶(NIA)、亞硝酸還原酶(NII)、谷氨酰胺合成酶(GS)、谷氨酸合成酶(GOGAT)的催化功能[6]，在植物生長過程中，天冬酰胺合成酶(ASN)及谷氨酸脫氫酶(GDH)對維持植物體內氮素平衡也有重要作用[6,41-42]。研究表明氮素的代謝與轉運受CTK的調控，例如CTK能夠顯著上調、、、基因表達[7,15]。

2 細胞分裂素代謝、轉運及信號傳導

2.1 細胞分裂素的合成與代謝

細胞分裂素(CTK)為腺嘌呤的衍生物，植物體內發(fā)揮功效的主要為反式玉米素型(Z-CTK)及異戊烯基腺嘌呤型(iP-CTK)，其中，反式玉米素Z及其核苷ZR，異戊烯基腺嘌呤(iP)及其腺苷(iPR)是主要的功能組分[12,17,19,43-45]。植物體內CTK的合成途徑主要有兩種(圖1)。一種是以異戊烯基側鏈為底物的從頭合成途徑；另一種是tRNA分解途徑。前者是iP-CTK和Z-CTK的主要合成途徑，順式玉米素型細胞分類素(Z-CTK)的合成主要依賴于后者。CTK合成代謝過程中的幾個關鍵酶已經成為作物分子遺傳改良的重要靶點。其中，異戊烯基轉移酶(IPT)是CTK合成的限速酶[12]，催化合成核苷酸形式的iPR。其次，細胞色素P450單加氧酶CYP735A1和CYP735A2，負責將核苷酸形式的iPR轉化成核苷酸形式的ZR。再次，基因編碼的一個磷酸核糖水解酶，可以直接將核苷酸形式的CTK轉化為自由基形式的CTK，從而激活CTK[46]。最后，CTK氧化酶(CKX)能催化CTK釋放出游離腺嘌呤或游離腺嘌呤核苷，使CTK失去生物活性[47-48]，CTK的失活還可通過形成配合物的方式，主要依賴UGT、ZOG、GLU三種酶[12,49](圖1)。

CTK合成的關鍵限速步驟是由IPT催化的，因此基因的表達區(qū)域在一定程度上代表了CTK的合成部位。曾經認為CTK只在根系中合成，并轉運到根的其他部位和冠層[50]。近年來國內外研究進展表明，葉片等地上部分也具有合成CTK的能力[51]，例如，在根系與冠層葉片中均有表達。但是不同部位合成的CTK類型不同，例如，和在根系維管束組織中表達，在葉片中幾乎不表達[49]；在植物的任何部位均有表達。這些基因表達部位的差別表明Z-CTK主要在根系中合成，iP-CTK主要在地上部合成。同時，CTK在不同部位均能調控植物生長發(fā)育[49,52-56]。這些暗示CTK是協(xié)調根-冠關系、源-庫關系的重要信號因子。

黑色箭頭代表代謝路徑，箭頭的粗細代表每步代謝中合成物質的比例；IPT－異戊烯基轉移酶；CYP735A－細胞色素單氧化酶P450；tRNA-specific IPT－特異性tRNA異戊烯基轉移酶；LOG－細胞分裂素磷酸核糖水解酶；CKX－細胞分裂素脫氫酶；UGT－N-葡糖基轉移酶；ZOG－玉米素-O-葡糖基轉移酶；GLU－β-葡糖苷酶；iPRTP－三磷酸異戊烯基腺苷；iPRDP－二磷酸異戊烯基腺苷；iPRMP－單磷酸異戊烯基腺苷；iPR－異戊烯基腺苷；iP－異戊烯基腺嘌呤；tZRTP－三磷酸反式玉米素核苷；tZRDP－二磷酸反式玉米素核苷；tZRMP－單磷酸反式玉米素核苷；tZR－反式玉米素核苷；tZ－反式玉米素；prenylated tRNA－異戊烯基tRNA；cZRMP－單磷酸順式玉米素核苷；cZ－順式玉米素；N, O-gulcosylation－N, O-葡萄糖基；DMAPP－二甲基烯丙基焦磷酸；ATP－三磷酸腺苷；ADP－二磷酸腺苷；AMP－單磷酸腺苷；HMBPP－4-羥基-3-甲基-2-(E)-丁烯二磷酸。下同。

Fig. 1. Cytokinin synthesis and metabolic pathways.

2.2 細胞分裂素的運輸

CTK需要經過轉運才能到達靶細胞發(fā)揮其生理作用[7]。研究表明Z-CTK主要在根系中合成，通過木質部隨著蒸騰流轉運至冠層葉片，而iP-CTK主要在冠層葉片中合成，通過韌皮部轉運至根系發(fā)揮作用[57-60]，但其轉運機制不清楚。直到Ko等[61]和Zhang等[62]在2014年首次克隆了CTK從根系向冠層葉片的轉運因子ABCG14。通過比較基因突變體與正常植株表型差異，Ko等[61]發(fā)現(xiàn)突變體根系合成的Z-CTK在根系中積累但并不能轉運至冠層葉片，突變體根系傷流液中Z-CTK含量較對照減少了90%，從而導致突變體葉片及花莖顯著小于對照野生型。嫁接試驗中，野生型植株的根部能夠將突變體地上部的生長恢復到正常水平，而突變體的根部并不能維持對照植株冠層的生長發(fā)育。這些證據表明：ABCG14是根系中Z-CTK向頂運輸?shù)闹饕d體；根系合成的Z-CTK調控冠層的生長。遺憾的是，目前還沒有發(fā)現(xiàn)冠層合成的iP-CTK向根系長距離轉運的轉運蛋白因子。

當CTK到達作用部位，CTK的跨膜轉運主要借助嘌呤透性酶(PUP)及核苷轉運蛋白(ENT)，PUP傾向于轉運自由基形態(tài)的CTK，如iP及Z，ENT傾向于轉運核苷形式的CTK，如iPR及ZR[59,63-65]。例如，在水稻中有12種OsPUP及4種OsENT蛋白，其中，OsPUP7及OsPUP14主要負責轉運iP及Z[64]，OsENT2主要負責轉運iPR及ZR[57]，而水稻中其他轉運蛋白的功能還有待進一步研究。

2.3 細胞分裂素的信號轉導

CTK借助信號轉導系統(tǒng)對植物眾多生理過程進行調控[18-19,66]。CTK信號傳遞是基于雙元信號系統(tǒng)，主要由組氨酸激酶(HK)、磷酸轉移蛋白(HP)、反應調控因子(RR)構成。細胞膜上的CTK受體組氨酸激酶(HK)主要負責接受自由基形態(tài)的CTK，如iP、Z[67]。擬南芥AHK大多位于內質網膜上，包括AHK2、AHK3、AHK4/CRE1/WOL[68]，三者在植株體內的分布及對CTK的親和性存在差異[66-67]。擬南芥中AHP有6種，其中與AHP1~AHP5具有競爭關系，且上游信號不能誘導其磷酸化，這將抑制信號傳遞[18]。作為信號下游，A型ARR對B型ARR的信號傳遞也起到抑制作用[69-70]，從而構成反饋調節(jié)回路。此外，CTK反應因子(CRF)也能夠對植物生長發(fā)育進行調控，并且具備部分B型ARR的功能[71-74]。

3 細胞分裂素對根-冠關系的調控機制及提高冠層光氮匹配的途徑

冠層群體的光合與水稻干物質的積累，與同化物的供應聯(lián)系緊密[75]。冠層中光氮不匹配被認為是限制水稻產量潛力與氮素利用效率的一個重要因素[20]，氮素作為Rubisco酶與葉綠體的重要組成部分，在冠層中的分布是限制作物群體同化能力的關鍵因素[21, 76-77]。植物冠層氮素分布呈現(xiàn)上層高下層低的梯度形態(tài)，這有利于其適應外界光環(huán)境，提高冠層光合同化力及氮素利用效率[78-80]，但自然條件下植物冠層光、氮的分布梯度并不是最優(yōu)的[81-83]。研究顯示，冠層氮梯度若被調控到光氮最佳匹配狀態(tài)(即增加氮素的分布梯度差，增加上部葉片含氮量，減少下部葉片含氮量)，植物冠層光合能將提高20%[84]，而這一指標也可以作為育種中的重要選擇靶標[85]。此外，增加冠層的光能利用對于提高水稻冠層光合同化能力也至關重要。

近年來國內外研究表明，根系合成的CTK對冠層的氮素優(yōu)化分布至關重要，根系合成的CTK隨著蒸騰流通過木質部轉運至冠層，調控冠層中氮素分配[49,51,86]；同樣冠層合成的CTK也會反饋調節(jié)根系的生長[15,49,87](圖2，表1)。然而，在水稻中CTK根-冠關系的調控機制研究不多。

3.1 根源細胞分裂素對冠層形態(tài)生理的調控及其對協(xié)調冠層光氮匹配的意義

土壤中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮能夠增加根系中硝酸鹽轉運蛋白(NRT)和銨態(tài)氮轉運蛋白(AMT)的活性[6]，增加氮素吸收，并上調CTK合成關鍵酶基因的表達，促進Z-CTK的合成[52,88-90]，增加木質部中Z-CTK濃度與冠層葉片中Z-CTK含量，調控冠層發(fā)育。例如，當施用氮肥后，水稻CTK合成基因、、、表達上調，CTK的含量增加[91](圖2，表1)，Kamada-Nobusada等[91]發(fā)現(xiàn)，此過程主要受谷氨酰胺的調控。

根系合成的Z-CTK對于冠層發(fā)育有重要影響。冠層中頂部新葉受到較多太陽照射，蒸騰速率高；基部葉片受到太陽輻射少，蒸騰速率低。根系新合成的Z-CTK隨著蒸騰流，通過木質部轉運，較多地被轉運至頂部葉片[86,92](圖2)。該運輸途徑也是氮營養(yǎng)元素的重要路徑，因而這部分葉片是營養(yǎng)生殖階段植物重要的庫源，相較于衰老或受光條件差的下層葉片而言擁有更高的蒸騰及代謝速率以及Z-CTK含量。外源噴施6-BA(一種人工合成的CTK)能夠有效緩解下層葉片的衰老，提高下層葉片光合同化能力[86]，這表明CTK對于冠層發(fā)育具有重要調控作用。隨著分子生物學技術的發(fā)展，突變體試驗更進一步證實上述作用是受到內源Z-CTK調控的。與正常植株而相比，在和雙基因突變材料中， CTK的總含量保持不變，Z-CTK的含量顯著減少，冠層形態(tài)短??；若將正常植株根系嫁接到突變體地上部則能使突變體地上部發(fā)育恢復正常，外源噴施Z于突變體地上部也能達到相同效果，而外源噴施iP則無效[56]。此外，Z及ZR在調控冠層發(fā)育方面功能有所差異。Osugi等[51]在研究多基因突變體材料時發(fā)現(xiàn)，ZR雖然是基部運輸至冠層的主要CTK組分，但是Z也可以直接由基部轉運至冠層并作用于冠層，二者功能差異主要表現(xiàn)為ZR能夠調控葉片大小及分生組織活性，但是必須通過LOG酶催化生成Z后才具有上述功能；根系合成的Z對冠層調控作用不依賴于LOG酶活性，但是其功能目前只局限于調控葉片大小，并不能對分生組織活性產生影響。這些證據表明根源Z-CTK對于冠層形態(tài)發(fā)育具有重要調控作用(圖2)。

除了調控植株冠層形態(tài)發(fā)育外，根源Z-CTK在調控冠層氮素分布，協(xié)調冠層光氮匹配，提高冠層光合同化方面具有重要作用。木質部蒸騰受光照條件影響明顯，因而相比下層衰老或受光條件較差的葉片，上層葉片擁有更高的光合同化效率及蒸騰速率，擁有更多的Z-CTK及氮營養(yǎng)[86,92]。相關研究表明，CTK能夠調控冠層氮素的分布，加速氮素從基部衰老葉片向頂部新葉的轉運，增加上層冠層中氮的分配比例，提高冠層光合適應(photosynthetic acclimation)，從而影響光合氮素利用效率[20,86]。更進一步的研究表明[15]，CTK的上述功能主要借助調控氮的轉運及代謝過程而實現(xiàn)。例如，在擬南芥中等氮轉運蛋白基因主要在冠層中表達，并且Z-CTK能夠顯著上調以上四種基因表達(表1)。雖然NRT1.3及NRT2,7蛋白的功能研究尚不深入，但是已有的研究結果表明，NRT1.4[11]，NRT1.7[93]分別對氮素由葉片轉出及老葉中氮素向新葉中的運輸起重要作用，表明Z-CTK對于調控冠層氮分布梯度及氮素利用效率有重要作用(表1)。在冠層氮代謝過程中，CTK能上調，，，等編碼氮代謝酶的基因表達[7,15,22]，提高氮代謝酶活性，促進核酸和蛋白質的合成，增加葉綠素和蛋白質的合成，增加光合能力，促進物質的積累[7](表1)。進一步研究表明，上述CTK的功能與其信號轉導元件有關，包括AHK2、AHK3、ARR1、ARR12[94]。以上證據從生理及分子層面證明了CTK在調控冠層光及氮素分布，提高冠層光氮利用效率方面的重要作用。

黑色箭頭代表物質轉運路徑；紫色箭頭代表細胞分裂素代謝路徑；紅色箭頭代表正向信號調控；紅色虛線平頭箭頭代表反向信號調控；紅色曲線代表木質部蒸騰流；黃色底紋代表細胞分裂素代謝酶；藍色底紋代表氮轉運蛋白。

Fig. 2. Model for coordinated and interdependent regulation of nitrogen and cytokinin.

表1 細胞分裂素及氮素對植物根系及冠層中無機氮素吸收、分布、代謝以及細胞分裂素合成、代謝及信號功能的調控

續(xù)表1：

基因名稱 Gene nameAGI 碼 AGI code蛋白名稱Protein name互作效應 Interaction response 反式玉米素型細胞分裂素 tZ-CTK細胞分裂素Cytokinis硝態(tài)氮Nitrate銨態(tài)氮 Ammonium氮肥施用Nitrogen application 氮代謝 Nitrogen metabolism 硝態(tài)氮還原 Nitrate reduction NIA1At1g77760硝酸還原酶1 Nitrate reductase 1U [7]U [7] NIA2At1g37130硝酸還原酶2 Nitrate reductase 2U [7] NIIAt2g15620 亞硝酸還原酶 Nitrite reductaseU [7] 輔因子 Cofactor CNX2At2g31955鉬喋呤合成酶 Molybdopterin synthetaseU [7] UPMAt5g40850硫-腺苷甲硫氨酸尿卟啉原III S-adenosylmethionine uroporphyrinogen IIIU [7] 氨同化 Ammonia assimilation GLN1;1At5g37600谷氨酰胺合成酶1;1 Glutamine synthetase 1;1D [7]D [7] GLN1;2At1g66200谷氨酰胺合成酶1;2 Glutamine synthetase 1;2D [7]U [7] GLN2At5g35630谷氨酰胺合成酶2 Glutamine synthetase 2U [7] GLT1At5g53460NADH-谷氨酸合成酶1 NADH-glutamate synthase 1U [7] 氨基酸代謝 Amino acid metabolism GDH1At5g18170谷氨酸脫氫酶1 Glutamate dehydrogenase 1U [7] GDH2At5g07440谷氨酸脫氫酶2 Glutamate dehydrogenase 2U [7] ASP1At2g30970天冬氨酸轉氨酶1 Aspartase aminotransferase 1D [7]U [7] ASN1 At3g47340天冬酰胺合成酶1 Asparagine synthetase 1U [7] ASN2At5g65010天冬酰胺合成酶2 Asparagine synthetase 2U [7]U [7] 細胞分裂素生理過程 Cytokinin physiological process 細胞分裂素合成 Cytokinins biosynthesis AtIPT3At3g63110異戊烯基轉移酶3 Isopentenyltransferase 3U [7] OsIPT4Os03g0810100異戊烯基轉移酶4 Isopentenyltransferase 4U [91] OsIPT5Os07g0211700異戊烯基轉移酶5 Isopentenyltransferase 5U [91] OsIPT7Os05g0551700異戊烯基轉移酶5 Isopentenyltransferase 7U [91] OsIPT8Os01g0688300異戊烯基轉移酶8 Isopentenyltransferase 8U [91] CYP735A2At1g67110細胞分裂素反式羥化酶 Cytokinin trans-hydroxylase U [7]U [7] 細胞分裂素代謝 Cytokinins metabolism CKX4At4g29740 細胞分裂素氧化酶4 Cytokinin oxidase 4 U [7]U [7] CKX5At1g75450細胞分裂素氧化酶5 Cytokinin oxidase 5 U [7] 轉錄調控 Transcriptional control ARR3At1g59940A型反應調控因子3 Type-A response regulator 3U [7]U [7] ARR4At1g10470 A型反應調控因子4 Type-A response regulator 4U [7] ARR5At3g48100A型反應調控因子5 Type-A response regulator 5U [7]U [7] ARR6At5g62920A型反應調控因子6 Type-A response regulator 6 U [7]U [7] ARR7At1g19050 A型反應調控因子7 Type-A response regulator 7 U [7]U [7] ARR8At2g41310A型反應調控因子8 Type-A response regulator 8 U [7]U [7] ARR9At3g57040 A型反應調控因子9 Type-A response regulator 9 U [7]U [7] ARR15 At1g74890 A型反應調控因子15 Type-A response regulator 15 U [7]U [7] ARR16 At1g74890 A型反應調控因子16 Type-A response regulator 16U [7]

“U”表示基因表達上調; “D”表示基因表達下調；“I”表示對施氮無響應; “R”表示缺氮時基因下調表達；“IN”表示缺氮時基因上調表達；“[ ]”參考文獻。

U, Up-regulation of the corresponding gene expression; D, Down-regulation of the corresponding gene expression; I, Irresponsive to N supply; R, Repressed by N starvation; IN, Induced by N starvation. [ ], The reference.

3.2 葉源細胞分裂素對根系形態(tài)生理的調控作用

土壤中的氮素能夠增加氮素轉運蛋白(NRT和AMT)的活性，增加氮素的吸收與根系CTK(Z與ZR)的合成。但是，植物也存在著反饋抑制調節(jié)機制。研究表明，隨著氮素的吸收，冠層中氮的積累將誘導冠層合成iP-CTK，iP-CTK將經由韌皮部運輸?shù)礁校瑥亩{控根系形態(tài)及生理特性，表現(xiàn)為抑制根系對過量氮素的吸收與轉運，抑制側根的生長發(fā)育[15,95-97]。

在擬南芥中，CTK能抑制根系中主要氮素轉運蛋白基因表達，包括，進而抑制植株對氮素的吸收及轉運[15](圖2，表1)。進一步研究結果表明CTK通過CTK受體AHK3和AHK4調控氮素轉運蛋白合成，抑制氮素吸收[98-100]。Guo等[101]通過外源施用PI-55(CTK合成抑制劑)及外源細胞分裂素6-BA，發(fā)現(xiàn)CTK對側根生長具有抑制作用，并且能夠抑制根系中氮素轉運蛋白基因表達(、、、、)，驗證了CTK對根系氮素吸收具有抑制作用(圖2，表1)。

CTK除了對氮素轉運蛋白功能有抑制作用，對根系生長也具有明顯的抑制作用。施加外源CTK、過表達基因或組成型激活B型基因均顯著抑制主根、側根的生長發(fā)育，而過表達CTK降解基因或負向調控因子A型基因則促進根系生長[96-97,102-103]。在煙草和擬南芥的根系中組織特異表達基因明顯促進根系生長發(fā)育，增加轉基因植物的生物量并增強其抗旱能力與營養(yǎng)元素的吸收富集能力[104]。

Sasaki等[87]研究了根瘤菌侵染大豆根系后根系的形態(tài)生理變化，發(fā)現(xiàn)根瘤菌侵染后，借助HAR1信號，冠層CTK合成基因表達上調，冠層中iP-CTK的含量增加，而Z-CTK的含量不變。隨后iP-CTK由冠層轉運至根中，抑制根系側根的發(fā)生，限制菌根的過量生長。

以上證據表明冠層合成的葉源iP-CTK能夠響應植株體內氮素水平，調控根系對氮素的吸收與利用，在形態(tài)生理方面，還能調控側根及根節(jié)的生長發(fā)育。

3.3 細胞分裂素對根-冠關系的調控機制

植物如何協(xié)調CTK在低氮水平下促進氮素吸收，在高氮水平下氮素吸收呢？CTK如何在冠層促進氮轉運蛋白基因的表達，提高冠層光適應，增加冠層光合能力；而在根系中抑制氮轉運蛋白基因表達，抑制側根發(fā)生，減少氮素吸收呢？

根據國內外的最新研究進展[7,15,17,49]，筆者認為可歸納為下面兩方面的原因：1)根系合成的Z-CTK與冠層合成的iP-CTK功能存在差異。例如，Z和ZR能夠促進冠層分生組織活性、葉綠素的合成和氮素的轉運，提高冠層光合適應；而iP和iPR抑制根系對氮素吸收與利用，抑制側根及根節(jié)的生長。2)根系與冠層中主要表達的氮素轉運蛋白不同。例如，冠層中主要表達的氮素轉運蛋白為AtNRT2.7、AtNRT1.3、AtNRT1.4、AtNRT1.7，根系中主要表達的氮素轉運蛋白為AtNRT2.1、AtNRT2.2、AtNRT1.1、AtNRT1.5。這些表明CTK在冠層中與根系中的響應因子并不一樣，因而CTK對地上部氮素分配與代謝起促進，而對根系氮素吸收起抑制作用。

總之，在植物體中，CTK及氮素在根、冠中具有復雜的相互作用，根系吸收的硝態(tài)氮能夠上調CTK合成基因表達，促進Z-CTK在根中合成并轉運到冠層，從而調控冠層生理生化特性；冠層中積累的氮素，又將促進iP-CTK合成并運輸至地下部，調控根系形態(tài)及生理特性[7,15,49,58](圖2)。

4 細胞分裂素對源-庫關系的調控及提高水稻籽粒充實度的機理

水稻生長周期中葉片光合能力(源強)和籽粒庫容(庫強)的動態(tài)變化對籽粒灌漿非常重要。CTK是調節(jié)源-庫關系的一種重要激素[12]。CTK負調控葉綠素分解酶相關基因的表達，同時誘導葉綠素分解酶降解，從而導致葉綠素含量增加，保持葉片正常的光合能力，保持光合系統(tǒng)的結構與功能，增加光合作用有效期及光合同化物的供給，是目前已知的唯一能夠延緩葉片衰老的植物激素[105]。此外，CTK還能夠增加葉綠素循環(huán)中四吡咯化合物[106]，以及葉綠素合成中間體7-羥甲基葉綠素的含量[107]。與此相關，CTK的一個主要生理功能是在葉片衰老的過程中調控碳水化合物源-庫的分配以及氮元素的循環(huán)利用。Kim等[108]研究表明CTK受體AHK3通過下游的轉錄因子ARR2特異地調控葉片衰老過程，這一調控機理依賴于ARR2的磷酸化。過量表達基因可以延緩黑暗誘導下離體葉片的衰老，而突變則加速離體葉片的衰老。Cortleven等[94]最新研究也證實CTK可以調控信號路徑上AHK2和AHK3，及ARR1與ARR12，延緩葉片衰老，抵抗光損傷。Maria等[24]研究發(fā)現(xiàn)對小麥植株噴施外源細胞分裂素6-BA后，葉片中蛋白質、Rubisco酶、葉綠素的濃度均增加，延緩了葉片衰老，延長了葉片光合功能期，為籽粒灌漿提供更多的碳水化合物。當然，過量合成的CTK也會導致植株“貪青遲熟”，阻礙干物質向籽粒的轉運，降低產量[26,109]。

CTK對籽粒庫容(庫強)也有重要調節(jié)作用[23,110]。在花器官分生組織發(fā)育過程中，增加CTK濃度或增強CTK信號通路的活性，將促進花器官分生組織的細胞分裂和分化，進而增加生殖器官數(shù)目[110]。通過降低CTK氧化酶CKX活性，可以提高CTK含量，增加籽粒庫容。在水稻中，影響產量的一個重要數(shù)量遺傳性狀基因QTL編碼一個CTK氧化酶基因在花分生組織中特異表達。通過對低產品種和高產品種的分析發(fā)現(xiàn)，高產品種中基因均攜帶不同的功能缺失性突變，促使體內CTK含量增加，特別是在分生組織與生殖器官中增加更為顯著，因而導致小穗數(shù)和小穗中籽粒數(shù)顯著增加，產量提高20%以上[111]。擬南芥和基因主要在分生組織中表達。與水稻突變體相似，擬南芥和雙突變體中，花分生組織和生殖器官明顯增大或數(shù)目增多，其種子產量較野生型提高55%[112]。綜上，Jameson等[23]提出適當增加葉片中細胞分裂素含量，尤其是逆境條件下植物葉片CTK含量將有效增加光合同化物的供給；增加花器官分生組織或籽粒中CTK含量將有效增加籽粒數(shù)目及籽粒充實度。

5 栽培措施對細胞分裂素合成代謝及作物生產的影響

我們曾通過增密減氮、前氮后移、深翻、增施有機肥、輕干濕交替灌溉等栽培措施增加水稻根系活力，促進根系CTK的合成與運輸，從而加速冠層氮素從老葉向新葉的轉運，增加冠層氮素梯度，優(yōu)化冠層光氮匹配，分別提高了高產水稻甬優(yōu)2640和武運粳24產量與氮肥生理利用效率[20]。證明了水肥管理等栽培措施對CTK的合成代謝及作物生產有重要影響。

研究表明輕干濕交替灌溉可以改善水稻弱勢粒灌漿，增加結實率，提高產量[26]。在輕干交替灌溉過程中，適度干旱后的復水灌溉可以顯著提高葉片中的CTK含量[113]，這將有助于提高作物的光合能力和對氮素的吸收利用[107]。Hansen和D?rffling[27]發(fā)現(xiàn)在復水后6 h木質部中的ZR含量提高了5倍，這將有助于復水后氣孔打開，增強葉片光合能力[28-29,112]。適度干旱后復水灌溉同樣也能顯著增加籽粒中CTK的含量，加速胚乳細胞增殖，提高籽粒產量[30,111]。

氮肥管理措施對源-庫關系也有重要調理作用。適當增加氮肥用量，葉片與籽粒中CTK的含量增加，提高水稻光合能力，同時促進細胞分裂，增加水稻胚乳細胞數(shù)目[114]，增加籽粒重量，提高產量，增加氮肥利用效率。低氮肥條件下，將減少作物體內CTK的合成，導致植株葉片早衰，降低水稻產量和氮肥利用效率。而過量使用氮肥，CTK將導致植物“貪青遲熟”[26,109]，非結構性碳水化合物滯留葉片與莖稈中，從而導致籽粒充實度差[26]。因此，明晰水稻在不同水肥栽培調控措施下，CTK的合成代謝與轉運機理，及其對水稻氮素代謝、光合、與產量的影響機制，將有助于提出適應現(xiàn)代水稻高產高效的氮肥運籌策略。

6 應用細胞分裂素提高水稻產量及氮肥利用方面存在的問題及研究展望

6.1 存在問題

CTK能夠調控植物對氮的吸收及分布；調控植物生長發(fā)育，協(xié)調植物根-冠關系，源-庫關系；提高冠層光氮利用率，對于氮肥利用效率及產量的提高具有重要意義。然而目前相關分子機制研究多集中于擬南芥等模式植物，水稻中CTK功能相關的關鍵酶和基因的調控路徑還不清楚；生產中CTK響應栽培措施，調控植株氮肥高效吸收與利用，促成水稻高產高效的調控途徑還未掌握。解決好上述問題，對于當前水稻產量及氮肥利用效率的進一步提高意義重大。

6.2 研究展望

為此，建議從以下三個方面開展研究：

1)明確水稻中CTK代謝、轉運機理，探明其與植株形態(tài)生理及產量的相關性。建議設計試驗，于不同生長期，測定不同種水稻各器官中CTK種類及含量，了解CTK在植株體內分布規(guī)律；測定不同種水稻各器官中CTK關鍵代謝酶的蛋白及基因表達水平，進一步掌握水稻體內CTK的代謝規(guī)律；同時，測定水稻其他形態(tài)生理及產量指標，分析其與CTK分布及代謝的相關性，分析CTK生理功能，并通過噴施外源激素試驗或者轉基因材料進行驗證。

2)明確水稻中CTK與其他激素的互作效應機理，探明其與水稻形態(tài)生理及產量的相關性。激素對于作物的調控非常復雜。例如，根分生組織和莖端分生組織的發(fā)育，包括側根、側芽的分化與生長，均受到細胞分裂素和生長素的協(xié)同調控；而在葉片衰老和籽粒灌漿過程中，細胞分裂素與脫落酸、乙烯互相拮抗而調控植物的相關生長發(fā)育。在水稻中該機理還不是很清楚，而其對于水稻的生長發(fā)育及產量具有重要影響，因而在接下來的工作中，有必要針對此進行重點研究。

3)明確CTK對不同栽培措施的生理響應機制，提出高產高效栽培新途徑。在不同水肥管理或化控模式下，研究常規(guī)水稻、雜交水稻（秈、粳）、超級稻品種中CTK的生理變化規(guī)律，明確栽培措施對水稻CTK的生理調控機制；并結合植株形態(tài)生理指標對其的響應，從植株根系養(yǎng)分吸收能力、冠層光合同化能力、花后籽粒干物質積累的能力、結實率等方面，綜合分析栽培措施調控下的CTK的生理改變對于植株氮肥利用效率及產量的影響機理，在此基礎之上，提出適應當前高產水稻品種的高產高效栽培新途徑。

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Regulations of Plant Growth and Development by Cytokinins and Their Applications in Rice Production

LI Zhikang, YAN Dong, XUE Zhangyi, GU Yibiao, LI Sijia, LIU Lijun, ZHANG Hao, WANG Zhiqin, YANG Jianchang, GU Junfei*

(,,,;Corresponding author,:)

Cytokinins (CTKs) play important roles in regulating crop morphology, physiology, and yield. In the development of crops, CTKs are the main factors controlling the uptake, translocation, and metabolisms of nutrients, especially for nitrogen. In this paper, we summarized the uptake, translocation and metabolism of nitrogen, and synthesis, translocation and signaling of cytokinins, with a focus on the coordination of CTKs and nitrogen in regulating root-shoot relationships and their influences on crop agronomic traits. Generally, the synthesis of-zeatin (Z) andZ riboside (ZR) was up-regulated by nitrogen in roots, and they are translocated to shoots, regulating the portioning and metabolism of nitrogen, influencing the photosynthetic characteristics and yield. In shoots, the synthesis of6-(2-isopentenyl)- adenine (iP) and iP riboside (iPR) were up-regulated by nitrogen, and they are translocated to roots by phloem, reducing the uptake and translocation of nitrogen, influencing the root morphology. Based on current knowledge, we further discussed the role of CTKs in coordinating source-sink relationships and improving grain filling. We also analyzed the influence of cultivation practices on metabolism of CTKs and its correlation with crop growth. At the same time, we also discussed the existing problems in the application of CTKs in rice production systems. We hope that it could provide valuable information for high yielding and high efficiency rice production.

cytokinin; nitrogen; crop yield

S143.1; S511.01

A

1001-7216(2018)04-0311-14

2018-03-14；

2018-05-05。

國家973計劃資助項目(2015CB150401)；國家自然科學基金資助項目(31501254, 31671614, 31371562)；揚州大學高端人才支持計劃資助項目(201511)。

10.16819/j.1001-7216.2018.8027