臧祎娜，張德閃，李海港，程凌云，張朝春，申建波

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院植物營養(yǎng)系，北京 100193）

根系從土壤獲取水分和養(yǎng)分的過程中發(fā)生一系列形態(tài)和生理可塑性變化[1-3]，以適應(yīng)土壤養(yǎng)分和水分的時空異質(zhì)性、不同生物環(huán)境因子以及其它不適宜正常生長的逆境脅迫。植物表現(xiàn)出的高度形態(tài)可塑性不僅受外部土壤環(huán)境(土壤離子濃度、pH、機械阻力、溫度與礦質(zhì)養(yǎng)分分布等)的影響[4]，同時也受光合產(chǎn)物、植物激素以及生長調(diào)節(jié)因子等植物內(nèi)源物質(zhì)的嚴(yán)格調(diào)控。

根際是植物與土壤相互作用最劇烈的區(qū)域，也是根-土-微生物系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所。根際互作在個體尺度上表現(xiàn)為植物地上部與地下部根系的互作，以及根際多過程的互作；在群體尺度上根際互作則為植物-植物之間根際過程的互作，以及植物-土壤-微生物之間的互作[5]。研究表明，在低氮條件下，特定的類黃酮由寄主植物根分泌到根際，同源的(相容的)根瘤菌感知到類黃酮，并被其激活翻譯產(chǎn)生NodD蛋白，從而誘導(dǎo)根瘤菌的定殖[6]。此外，最新研究表明，植物生長調(diào)節(jié)因子一氧化氮(NO)可能作為特殊信號參與根際生物互作，外源低濃度的NO增強了根際解淀粉芽孢桿菌SQR9形成生物膜的能力，同時SQR9的基因yflM可編碼一氧化氮合酶(NOS)用于合成NO[7]。植物特異性分泌的某些激素物質(zhì)或信號因子能夠精準(zhǔn)地激活和調(diào)控植物與植物互作，以及植物與根際微生物的互作。近年來，褪黑素(Melatonin，N-acetyl-5-methoxytryptamine，N-乙酰-5-甲氧基色胺)作為一種新型植物生長調(diào)節(jié)因子，受到廣泛關(guān)注。褪黑素是一種小分子的吲哚化合物，存在于多種生物體中，對植物形態(tài)建成具有重要作用，特別是在調(diào)控根系發(fā)育方面具有顯著效果[8]。褪黑素可能參與了植物-微生物的相互作用，然而褪黑素調(diào)控植物根系發(fā)育，影響根際互作的機制并不清楚。本文系統(tǒng)綜述了褪黑素對不同植物根系生長的調(diào)控作用，重點討論了褪黑素對植物主根生長、側(cè)根與不定根發(fā)生的影響，以及褪黑素對根系構(gòu)型和養(yǎng)分吸收的調(diào)控作用。進(jìn)一步探討了褪黑素調(diào)控根系生長和根際互作的機制，指出褪黑素在根際互作中可能發(fā)揮重要作用，并對褪黑素作為新的調(diào)控途徑如何影響根際過程和根際互作進(jìn)行了深入分析，提出了今后的重點研究方向。

1 褪黑素主要生物學(xué)功能概述

褪黑素是一種兼具親水性和親脂性的吲哚色胺類的新型生物調(diào)節(jié)因子，生理活性高且功能多樣。褪黑素最早發(fā)現(xiàn)于牛的松果體[9]，作為哺乳動物及人體重要的神經(jīng)激素，可以調(diào)控晝夜節(jié)律，改善睡眠，影響生殖生理[10-11]，同時，褪黑素還可以清除機體內(nèi)多種形態(tài)的自由基，延緩衰老，提高免疫抵抗力[12]。隨后細(xì)菌、真菌、大型藻類以及高等植物中也被證實存在褪黑素[13-15]。1969年褪黑素在繡球百合的胚乳細(xì)胞中被檢測出[16]，直至1995年不同學(xué)者通過應(yīng)用高效液相色譜和放射免疫法在被子植物中檢測出褪黑素的存在，這種物質(zhì)在植物體內(nèi)的功能才逐漸被深入研究[17-18]。褪黑素被證實是植物體內(nèi)目前已知的抗氧化作用最強的內(nèi)源性自由基清除劑[19]，種子、葉、根中含量豐富，此外由于葉綠體和線粒體是植物體內(nèi)活性氧(ROS)的主要產(chǎn)生部位，因而Tan等提出這兩種細(xì)胞器可能是褪黑素合成的關(guān)鍵部位[20]，并在線粒體中檢測了褪黑素的含量，但還沒有關(guān)鍵合成基因的亞細(xì)胞定位分析加以佐證。

目前褪黑素在植物體內(nèi)的合成途徑較為清晰(圖1)。植物體內(nèi)的褪黑素合成路徑與動物體內(nèi)的合成相似，以色氨酸為底物，由色氨酸脫羧酶(TDC)，色胺5-羥化酶(T5H)，N-乙?；D(zhuǎn)移酶(AANAT)或5-羥色胺N-乙酰轉(zhuǎn)移酶(SNAT)，乙酰5-羥色胺甲基轉(zhuǎn)移酶(ASMT)催化的四步連續(xù)的酶促反應(yīng)合成[21-24]。TDC催化色氨酸轉(zhuǎn)化為羥色胺，目前在水稻等植物種類中已克隆出這一關(guān)鍵酶[21,24]，但色氨酸脫羧酶合成量低，是合成的限速步驟。T5H催化第二步反應(yīng)，使色胺轉(zhuǎn)化為褪黑素前體物質(zhì)血清素，褪黑素生物合成途徑的最后兩種酶在植物體存在的廣泛性仍需進(jìn)一步驗證。褪黑素合成途徑中的中間產(chǎn)物色胺也是植物體內(nèi)生長素(IAA)的合成底物，褪黑素對植物生長發(fā)育的調(diào)控與IAA可能存在一定的關(guān)聯(lián)，由此推測這可能與二者在植物體內(nèi)的合成途徑有關(guān)，相關(guān)研究需進(jìn)一步深化和驗證。

圖 1 褪黑素在植物中的生物合成途徑與生物學(xué)功能Fig. 1 Biosynthesis and biological function of melatonin in plants

隨著植物體內(nèi)褪黑素生物合成等相關(guān)研究的逐步深入，褪黑素的生理功能及機理研究已成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點，目前已取得較大進(jìn)展(圖1)。褪黑素作為脅迫條件下應(yīng)激響應(yīng)因子被廣泛認(rèn)知。在非生物脅迫條件下，褪黑素能夠提高植物的抗性，其調(diào)控機制主要表現(xiàn)在以下四個方面：1)褪黑素可直接誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控逆境相關(guān)功能基因的表達(dá)[25-26]，如熱激因子(HSFAs)調(diào)控?zé)峒さ鞍谆?HSPs)的表達(dá)，從而影響植物的耐熱性[27]；2)褪黑素是極強的內(nèi)源性自由基清除物質(zhì)，高親脂性使其較易通過生物膜清除細(xì)胞內(nèi)自由基，而其部分親水性保證其在細(xì)胞核中發(fā)揮抗氧化作用[19]；3)褪黑素作為抗氧化物質(zhì)，能顯著提高植株體內(nèi)抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)等各種與抗氧化脅迫有關(guān)的酶活性，增加抗氧化物質(zhì)含量，從而調(diào)節(jié)抗壞血酸代謝系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，抑制活性氧的產(chǎn)生，提高植物的抗逆性[28-30]；4)在植物受到環(huán)境刺激時，褪黑素可誘導(dǎo)植物細(xì)胞產(chǎn)生多胺(PAs)和NO，PAs是植物體內(nèi)調(diào)控抗逆性的主要激素，以NO為下游信號誘導(dǎo)植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)，從而抵抗非生物脅迫[31-32]。

另一方面，褪黑素作為植物體內(nèi)的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)[27、33-35]，調(diào)控許多植物的生長發(fā)育特征，包括種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)實和衰老等[36-38]。研究表明，外源添加0.5～1.0 μmol/L的褪黑素，增加了水稻種子根的長度以及根的生物量[39]；向土壤中長期施用100 μmol/L褪黑素能夠改變蘋果的新陳代謝水平并且維持其蛋白質(zhì)活性，提高光合速率，增加光合產(chǎn)物[40]。有關(guān)褪黑素調(diào)控植物根系生長的研究，目前表觀描述性的研究較多，但揭示分子機制的研究較為缺乏。褪黑素作為影響植物根系的重要調(diào)控因子，如何參與根際互作，從而影響?zhàn)B分效率，尚無系統(tǒng)性報道。

2 褪黑素對根系生長的影響

根系是植物長期適應(yīng)陸地環(huán)境進(jìn)化而來的營養(yǎng)器官，既幫助植物從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，又將植物固定在土壤上[41]。根系通常包括主根與側(cè)根，根系的構(gòu)型和空間擴展主要依賴于側(cè)根的生長，側(cè)根通常起源于原生木質(zhì)部的中柱鞘細(xì)胞。根系具有吸收、運輸養(yǎng)分和水分的功能，從而保證植物的地上部生長。除此之外，有些植物的莖或葉在感受外界環(huán)境刺激或者在激素的誘導(dǎo)下，可產(chǎn)生不定根。側(cè)根和不定根的發(fā)育體現(xiàn)了根系的高度可塑性，一定程度上受植物體內(nèi)激素的精確調(diào)控[42-43]。外源施用IAA或提高體內(nèi)IAA濃度會增加不定根和側(cè)根的形成，而生長素轉(zhuǎn)運抑制劑則具有顯著的抑制效果[44-45]。研究表明，萵苣外源施用6-芐基氨基嘌呤(BA)可使側(cè)根減少50%[46]，轉(zhuǎn)基因煙草過表達(dá)擬南芥細(xì)胞分裂素氧化酶基因(CKX)，植物側(cè)根數(shù)量顯著增加[47]。這些被人們熟知的生長素、細(xì)胞分裂素(CTK)等激素對植物根系生長發(fā)育具有重要調(diào)節(jié)作用，調(diào)控途徑也較為清楚。而褪黑素作為一種新型的植物內(nèi)源調(diào)節(jié)物質(zhì)，其對植物生長的調(diào)節(jié)作用被廣泛報道，特別是對根系生長具有明顯的調(diào)節(jié)作用，研究表明這種調(diào)節(jié)作用與褪黑素的濃度、植物種類、根系類型以及環(huán)境脅迫條件密切相關(guān)[48-50]。

2.1 褪黑素對植物主根和種子根的影響

褪黑素顯著影響單子葉植物主根的生長。Hernández-Ruiz等[48]用不同濃度梯度的外源褪黑素處理金絲雀草、小麥、燕麥三種單子葉植物48小時，結(jié)果顯示不同單子葉植物主根對褪黑素刺激的響應(yīng)存在差異。與對照相比，不同濃度梯度的褪黑素均顯著抑制金絲雀草主根的生長，并隨濃度增加，抑制效果增加；燕麥主根受褪黑素影響趨勢與金絲雀草相同，但被抑制程度更大；而褪黑素對小麥主根的調(diào)控具有雙峰效應(yīng)，即低濃度褪黑素顯著促進(jìn)主根生長，而高濃度表現(xiàn)出抑制效果。褪黑素刺激效果不同的原因可能是植物對褪黑素的代謝能力存在差異，導(dǎo)致植物體內(nèi)其積累量不同。轉(zhuǎn)基因水稻(Oryza sativa)體內(nèi)過表達(dá)綿羊5-羥色胺N-乙酰基轉(zhuǎn)移酶，在幼苗生長4天時，與野生型相比種子根根長平均增加了82%，第10天時增長了75%，同時測得轉(zhuǎn)基因水稻內(nèi)源褪黑素水平顯著高于野生型[39]。盡管褪黑素對主根的調(diào)控效果因植物種類不同，但相關(guān)研究報道證明了褪黑素在單子葉植物胚根發(fā)育中起著關(guān)鍵作用。

大多數(shù)雙子葉植物根系為直根系，主根發(fā)達(dá)，在土壤中下扎較深[51]。褪黑素對雙子葉植物主根生長的影響與單子葉植物相似，主要表現(xiàn)為抑制作用。模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)在含有不同濃度的褪黑素培養(yǎng)基上生長6天，高濃度褪黑素顯著抑制主根生長，而低濃度褪黑素則無明顯效果，褪黑素主要是通過減少分生組織細(xì)胞數(shù)量對主根的生長產(chǎn)生抑制作用[52]。不同植物生育時期對褪黑素的響應(yīng)存在差異，研究發(fā)現(xiàn)2日齡的野生薺菜黃化苗在0.1 μmol/L褪黑素處理下主根顯著增長，而100 μmol/L褪黑素則抑制其生長；但4日齡的幼苗對低濃度褪黑素?zé)o響應(yīng)，僅在高濃度褪黑素處理下表現(xiàn)出主根生長受阻[49]。綜上所述，褪黑素對植物主根的影響以抑制作用為主，少數(shù)植物的主根對其并不敏感，這主要與作物種類和褪黑素作用濃度有關(guān)。

2.2 褪黑素對植物側(cè)根和不定根的影響

褪黑素對不同植物側(cè)根和不定根的生長發(fā)育具有顯著的調(diào)控作用。側(cè)根與不定根的發(fā)生與伸長，增加了與土壤接觸的面積，根分泌物可影響土壤養(yǎng)分的活化，提高作物對土壤養(yǎng)分資源的捕獲和利用能力，滿足植物地上部快速生長對水分和礦質(zhì)養(yǎng)分的需求，這是植物提高養(yǎng)分和水分空間有效性與活化利用效率的重要生物學(xué)機制[53-55]。Arnao和Hernández-Ruiz[56]用不同濃度褪黑素處理羽扇豆下胚軸，以探究褪黑素對植物不定根和側(cè)根發(fā)育的影響，結(jié)果表明，褪黑素能誘導(dǎo)側(cè)根原基的出現(xiàn)，改變不定根和側(cè)根的分布格局與時間進(jìn)程，以及不定根數(shù)量和長度。進(jìn)一步的研究證明褪黑素能促進(jìn)多種植物的側(cè)根和不定根的生長發(fā)育，在擬南芥中，褪黑素顯著增加不定根的發(fā)生，與對照相比側(cè)根發(fā)生提高了三倍，但對根毛密度影響不顯著[57]。在過表達(dá)褪黑素合成基因的三個擬南芥轉(zhuǎn)基因株系中，與野生型相比側(cè)根大量增生[58]。

為避免事態(tài)進(jìn)一步惡化，軍方宣布 “自3 月 9 日 24 時起實施軍隊巡邏。 凡破壞公共秩序和妨礙市內(nèi)正常生活者,一律扣留,并送民警局追究責(zé)任。”[6](P212)3 月10 —11 日,軍隊在市內(nèi)加強了巡邏；各級黨組織紛紛召開維穩(wěn)大會；各工廠企業(yè)安排了夜間值班；部分破壞者和挑唆者陸續(xù)被克格勃抓捕。這些“組合拳”式的措施采取之后，市內(nèi)秩序逐漸趨于穩(wěn)定。[6](P210)

除了以上模式作物以外，Zhang等研究發(fā)現(xiàn)水分脅迫下，黃瓜(Cucumissativus L.)側(cè)根生長受到顯著抑制，而褪黑素處理可以緩解這一抑制作用，誘導(dǎo)側(cè)根數(shù)量增加1.25倍[59]。進(jìn)一步的研究表明黃瓜在鹽脅迫下，褪黑素處理下調(diào)MYB、WRKY、NAC等轉(zhuǎn)錄因子，而這些轉(zhuǎn)錄因子對側(cè)根生長具有負(fù)向調(diào)控作用。促進(jìn)不定根發(fā)生的現(xiàn)象也在番茄(SolanumlycopersicumL.)中被發(fā)現(xiàn)[60]。褪黑素對于商業(yè)甜櫻桃[61]、石榴[62]等果樹的砧木或外植體也具有促進(jìn)不定根發(fā)生的作用，作為園藝栽培手段，褪黑素在園藝上具有巨大的經(jīng)濟應(yīng)用價值?？傊?，適宜濃度的褪黑素處理能顯著促進(jìn)植物側(cè)根和不定根的生長，有利于植物對養(yǎng)分的吸收和抗脅迫能力的提高。

2.3 褪黑素對植物根系構(gòu)型的影響

在長期生長進(jìn)化中植物形成了復(fù)雜的三維根系構(gòu)型，由分支、表面積、角度等參數(shù)決定的根系構(gòu)型很大程度上影響了根系探索土壤空間的能力，因此對根系構(gòu)型的調(diào)節(jié)顯著影響植物對養(yǎng)分獲取和吸收利用的效率[63]。根系在生長介質(zhì)的延伸以及空間分布不僅受外界環(huán)境(養(yǎng)分分布、土壤結(jié)構(gòu)和土壤水分等)的影響，同時植物根系表現(xiàn)出的高度可塑性也受內(nèi)源信號的主動調(diào)節(jié)[64]。褪黑素不僅能調(diào)控多種植物不同類型根系的發(fā)育生長，同時已有研究也表明褪黑素顯著影響根系構(gòu)型。褪黑素可刺激側(cè)根和不定根形成，從而改變根系構(gòu)型。50 μmol/L褪黑素處理可造成直根系植物苜蓿體內(nèi)過氧化氫(H2O2)的積累，刺激細(xì)胞周期調(diào)控基因MsCDKB1;1和MsCDKB2;1的顯著表達(dá)，從而促進(jìn)側(cè)根大量增生[65]。須根系水稻在褪黑素處理下，側(cè)根和節(jié)根的數(shù)量和長度顯著增加而主根生長受到抑制[66]。此外，褪黑素還能影響根的向地性，研究表明，羽扇豆初生根受到100 μmol/L褪黑素刺激時，根的向地性喪失[67]。

作物生長取決于對水和礦物質(zhì)的獲取能力，根系生長以及根系構(gòu)型的改變顯著影響作物獲取養(yǎng)分的效率[4]。研究發(fā)現(xiàn)，0.1 mmol/L褪黑素顯著緩解了黃瓜由于高硝酸鹽水平(0.6 mol/L)對植物生長的抑制作用，同時氮代謝系統(tǒng)中調(diào)節(jié)硝酸還原酶和谷氨酸合酶活性的兩個基因Cs-NR和Cs-GOGAT的表達(dá)均顯著上調(diào)。硝酸鹽脅迫下，褪黑素可以調(diào)控根系生長，促進(jìn)側(cè)根增生，增加根冠比，從而調(diào)節(jié)植株體內(nèi)磷、鉀、鐵、鎂等礦質(zhì)養(yǎng)分的濃度，改善作物生長[68]。對蘋果的研究表明，褪黑素顯著提高鹽脅迫和鉀脅迫下根系和葉子的鉀含量，激活鈣調(diào)磷酸酶類蛋白及其互作蛋白激酶形成的CBL1-CIPK23通路，調(diào)節(jié)鉀通道蛋白基因的表達(dá)，從而促進(jìn)鉀離子的吸收[69]。因此，褪黑素可以通過調(diào)控根系構(gòu)型和養(yǎng)分吸收對植物生長產(chǎn)生促進(jìn)作用。

3 褪黑素調(diào)控根系生長的可能機制

同一基因型的植物在不同的環(huán)境條件下根系構(gòu)型可能發(fā)生巨大的變化。褪黑素對植物根系生長具有顯著調(diào)節(jié)作用，然而已有研究對調(diào)控過程的內(nèi)在機制并沒有系統(tǒng)性報道。大量研究指出根系發(fā)育和建成需要光合碳的投入，光合作用為植物體提供了物質(zhì)和能量來源，因而光合作用的改變以及有機產(chǎn)物特別是糖信號的變化顯著影響根系的生長和發(fā)育[70]。同時，激素在胚根的早期建立及胚后根的生長中都起到重要的調(diào)控作用，不同激素信號之間存在著復(fù)雜的相互作用，賦予了根系生長的可塑性和靈活性[71]。因此，褪黑素可能參與調(diào)控植物體內(nèi)光合作用，刺激糖信號改變，同時與植物激素網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生互作，進(jìn)而調(diào)控植物根系的生長。

3.1 褪黑素通過調(diào)控光合作用和糖信號影響根系生長

植物根系大量增生的過程是光合產(chǎn)物碳輸入和消耗的過程，碳水化合物為根系生長提供了物質(zhì)和能量來源[51]。研究表明，根干重增加1 g需要消耗2 g碳水化合物[72]，隨著植物不斷生長，根系增生需要更多的光合碳輸入，植物每天光合產(chǎn)物的25%～50%運輸?shù)礁涤糜诟敌律M織生長以及維持根系正常生長代謝[73-74]。因此當(dāng)植物的光合作用、光合產(chǎn)物運輸和分配以及根系對碳的利用發(fā)生改變時，根系生長必然受到影響[75]。

第一，褪黑素可能參與光周期調(diào)控，從宏觀時間尺度上影響不同植物根系的生長速率。晝夜周期中光照和黑暗期長短的交替變化不僅調(diào)控花芽分化、開花、結(jié)實，而且是植物根系生長的重要調(diào)節(jié)器[76-80]。褪黑素在某些植物種類中的生物合成具有晝夜節(jié)律，暗示著植物光周期可能受這種物質(zhì)的調(diào)節(jié)[81]。一些植物的細(xì)根生長表現(xiàn)出明顯的24小時節(jié)律，在固定的14小時光周期下，根系生長速率隨晝夜節(jié)律變化明顯，最大根生長速率發(fā)生在黑暗期來臨前后的2小時。隨后，在黑暗時期的后期，光周期的前期，根系生長速率下降并達(dá)到最小值，然而調(diào)節(jié)根系速率晝夜周期變化的內(nèi)源因素尚不清楚[82]。目前研究顯示褪黑素可能作為植物晝夜節(jié)律的重要調(diào)節(jié)因子，而另一方面它也表現(xiàn)出促進(jìn)某些植物側(cè)根伸長的作用，推測褪黑素影響根系生長的機制可能與調(diào)控晝夜節(jié)律密切相關(guān)，但仍缺乏實證研究和深入探討。

第三，褪黑素能夠影響光合產(chǎn)物的合成與代謝，調(diào)控糖信號，干擾光合產(chǎn)物在韌皮部裝載及分配，從而影響源庫關(guān)系來調(diào)控植物根系生長。植物能夠通過協(xié)調(diào)營養(yǎng)物質(zhì)水平和自身生長需求，從而確保特定生理過程所需物質(zhì)和能量的充足供應(yīng)[86]。大量研究表明，可溶性糖能作為信號調(diào)控植株體內(nèi)基因表達(dá)從而影響植物發(fā)育，對植物生長和形態(tài)發(fā)育產(chǎn)生顯著影響[87]；糖信號可以刺激并影響蛋白激酶活性，與脫落酸等植物激素相互作用調(diào)控植物早期的胚胎發(fā)育、種子萌發(fā)和幼苗生長[88-90]；同時糖信號還可以參與調(diào)控葉、結(jié)節(jié)、花粉、塊莖等組織結(jié)構(gòu)的建成[91-92]；此外，糖信號對根系發(fā)育的調(diào)控也已有大量報道。當(dāng)野生型擬南芥幼苗在含有0.5%～2.0%蔗糖的培養(yǎng)基中于黑暗下生長時，下胚軸上不定根的形成受到刺激[70]；低磷脅迫下，白羽扇豆缺磷誘導(dǎo)的基因需韌皮部運輸?shù)奶切盘枀⑴c調(diào)控，從而顯著影響排根的形成和根際過程[93]。

褪黑素能夠上調(diào)參與蔗糖合成的蔗糖磷酸合成酶(SPS)和蔗糖合成酶(SUS)兩種酶的基因表達(dá)，特別是100 μmol/L褪黑素的上調(diào)作用顯著，同時降低蔗糖轉(zhuǎn)化酶(INV)抑制基因INVINH1和INVINH4的表達(dá)，提高轉(zhuǎn)化酶活性，從而促進(jìn)蔗糖水解轉(zhuǎn)化[94]。在擬南芥中，外源施用50 μmol/L褪黑素下調(diào)INVINH相關(guān)基因的表達(dá)，上調(diào)轉(zhuǎn)化酶活性[95]。更重要的是研究發(fā)現(xiàn)高濃度褪黑素下調(diào)葉片蔗糖共質(zhì)體運輸相關(guān)基因Tdy2和Sxd1，阻斷了蔗糖共質(zhì)體轉(zhuǎn)運，誘導(dǎo)了玉米葉片源部分淀粉和蔗糖的積累，而蔗糖的積累既顯著降低了光合速率[95-96]，又影響了光合產(chǎn)物在源與庫之間的運輸與協(xié)調(diào)，這也是褪黑素影響光合產(chǎn)物運輸與分配，從而調(diào)控根系的重要機制之一。

3.2 褪黑素通過調(diào)控植物激素影響根系生長

植物根系的生長發(fā)育受植物激素的嚴(yán)格調(diào)控，生長素、細(xì)胞分裂素、乙烯(ETH)等調(diào)控側(cè)根發(fā)生、根細(xì)胞伸長、根毛形成以及根向地性等過程[42-43]。生長素作為最早發(fā)現(xiàn)的植物激素被認(rèn)為是對根系生長產(chǎn)生關(guān)鍵調(diào)控作用的激素。在莖尖和幼葉中合成的生長素通過極性運輸進(jìn)入根系，調(diào)控相關(guān)基因表達(dá)，誘導(dǎo)側(cè)根原基的發(fā)生[97]。研究表明褪黑素在調(diào)節(jié)植物生長方面表現(xiàn)出與IAA相似的作用[48,98]，褪黑素與IAA都是吲哚化合物，褪黑素是由色氨酸脫羧成色胺經(jīng)一系列酶促反應(yīng)生成[21]，而生長素的合成途徑之一也是色胺合成途徑[99]。因此，深入探究褪黑素對根系生長的調(diào)控與IAA信號途徑的關(guān)系，對于理解褪黑素介導(dǎo)的根系形態(tài)與構(gòu)型的變化至關(guān)重要。

高濃度褪黑素通過減少根分生組織顯著抑制擬南芥主根長度，試驗證明600 μmol/L褪黑素顯著下調(diào)與IAA合成相關(guān)的基因Yucca(YUC1、YUC2、YUC5、YUC6)的轉(zhuǎn)錄水平，而另一部分(YUC3、YUC4、YUC7、YUC8)上調(diào)，同時下調(diào)IAA轉(zhuǎn)運蛋白的表達(dá)[52]。在水稻上得到了類似的結(jié)果，褪黑素處理顯著抑制胚根的生長，促進(jìn)側(cè)根的形成和發(fā)育。全基因組RNA測序分析結(jié)果表明，褪黑素使生長素相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子、根系生長和發(fā)育相關(guān)候選順時元件以及生長素相關(guān)過程的基因均過量表達(dá)[66]。這些研究表明褪黑素調(diào)控根系發(fā)育的途徑可能與生長素通路發(fā)生互作，但具體的關(guān)鍵基因和作用方式并沒有明確的報道。然而，褪黑素并不能直接激活擬南芥中生長素報告基因DR5∶GUS的表達(dá)[57]。雖然褪黑素與生長素均含有吲哚環(huán)，C3位置有側(cè)鏈，但生長素活性的結(jié)構(gòu)要求是不飽和環(huán)、酸性側(cè)鏈，以及特殊的空間構(gòu)型[99]，而褪黑素結(jié)構(gòu)的側(cè)鏈不具有酸性且空間構(gòu)型存在差異。因此，褪黑素不滿足生長素活性的結(jié)構(gòu)要求，不能直接作為生長素的替代物質(zhì)發(fā)生作用。此外黃瓜的研究表明，褪黑素處理直接顯著影響了根系生長的相關(guān)基因[59]。因而褪黑素對根系發(fā)育的調(diào)控途徑之一可能是與生長素調(diào)控途徑偶聯(lián)，另一方面褪黑素調(diào)控根系生長也可激活獨立于生長素之外的調(diào)控通路。

調(diào)控根系生長的重要激素還有細(xì)胞分裂素，其直接參與了細(xì)胞周期的控制和調(diào)節(jié)，同時對分生組織的發(fā)育起至關(guān)重要的作用[99]。對于根系生長而言，細(xì)胞分裂素和生長素表現(xiàn)出拮抗作用；生長素促進(jìn)側(cè)根和不定根的形成[100-102]，而細(xì)胞分裂素效果相反，抑制側(cè)根形成[46]。目前研究顯示褪黑素調(diào)節(jié)根系生長也可能獨立于生長素，而細(xì)胞分裂素可能作為褪黑素調(diào)節(jié)的另一個信號通路，影響根系生長和發(fā)育，但相關(guān)研究極為缺乏。除此之外，乙烯可以通過與細(xì)胞分裂素互作抑制根系生長[103]，同時通過影響生長素生物合成和運輸，改變生長素分布，調(diào)節(jié)根系生長[104]。研究表明褪黑素處理能夠負(fù)向調(diào)控與乙烯相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，以及與生根相關(guān)的基因，從而抑制根的發(fā)生與伸長[105]。對于褪黑素與其他植物激素互作調(diào)控根系生長的研究報道相對較少，有關(guān)方面需要進(jìn)一步的深入研究。除了植物激素以外，NO是植物體內(nèi)重要的信號分子，NO參與了調(diào)節(jié)根系生長，影響不定根、側(cè)根和根毛形成中的生長素應(yīng)答[106-107]。番茄幼苗的試驗表明，褪黑素誘導(dǎo)的不定根發(fā)生與NO介導(dǎo)的下游信號有關(guān)。褪黑素可上調(diào)硝酸還原酶，增加內(nèi)源性NO水平，同時NO也可反饋調(diào)節(jié)植物體內(nèi)褪黑素水平[60]。

4 褪黑素影響根際互作的可能途徑

植物根系生長于復(fù)雜的土壤環(huán)境中，從突破種皮開始生長便與土壤發(fā)生直接的相互作用。根系可以感受到自然土壤的結(jié)構(gòu)和資源時空分布不均勻，做出一系列形態(tài)與生理可塑性改變以適應(yīng)土壤環(huán)境。干旱的土壤對根系的水分供應(yīng)能力較弱，而且阻礙根系穿插，顯著抑制植物根系的生長。而抗旱植物可形成深根系以獲取下層土壤中的水分，保證自身生長[108]。遇到營養(yǎng)富集的土壤斑塊時，許多植物會增加根系的分枝和生長，充分吸收養(yǎng)分以滿足生長需求[109]。羽扇豆、蠶豆等豆科植物遇到養(yǎng)分匱乏的土壤環(huán)境可增加根系質(zhì)子、有機酸和酸性磷酸酶的分泌，活化土壤中的難溶性Fe/Al-P以及有機磷，提高土壤有效磷含量，促進(jìn)養(yǎng)分吸收和植物生長[41]。根-土互作過程不僅表現(xiàn)在土壤結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分資源對植物根系形態(tài)和生理可塑性的影響，植物根系也可改變和重塑土壤環(huán)境，從而強化根-土互作過程。根系通過下扎、水分吸收、根分泌物釋放等方式顯著改變根際土壤結(jié)構(gòu)。植物具有較大的根生物量，可以增加土壤大孔隙(裂縫)的表面積和長度，粗根可以使大孔隙增加30%。根系生長和根構(gòu)型變化也會影響土壤-水的關(guān)系，根系吸水不均勻產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力會導(dǎo)致土壤團(tuán)聚體的產(chǎn)生，同時使土壤更致密，抗拉強度更高[110]。植物根系還可以通過根分泌物釋放從宏觀時間尺度上影響土壤有機質(zhì)含量[111]。褪黑素調(diào)控的根系增生和根構(gòu)型變化可能從多方面影響原有狀態(tài)下植物根-土互作：1）增大了與土壤的接觸面積，即根-土界面的范圍進(jìn)一步擴大，根系與土壤養(yǎng)分直接接觸的幾率增加，根際過程的強度顯著提升；2）破壞和改變了原有的土壤環(huán)境，土壤孔隙度、緊實度、含水量、有機質(zhì)含量等土壤結(jié)構(gòu)，與養(yǎng)分空間分布發(fā)生巨大變化，對不同生育時期的植物生長造成一定影響。

生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)植物在不同尺度上形成種群或群落，由于對土壤空間和資源的需求，根-根相互作用必然發(fā)生。種內(nèi)互作是同種植物間根系受密度和種群內(nèi)部對土壤資源獲取的影響而發(fā)生的相互作用，種間互作則為不同植物間產(chǎn)生的互作效應(yīng)?；プ黧w系下的植物根系產(chǎn)生可塑性變化以及調(diào)整根系構(gòu)型，通過躲避(avoidance)、耐受(no responsive pattern)、入侵(aggregation)對相鄰植物作出響應(yīng)[112]，保證自身對土壤空間的占據(jù)及資源的獲取。土壤資源和根系的空間匹配受互作體系中個體植株根系構(gòu)型的影響，褪黑素作為根系構(gòu)型的內(nèi)源調(diào)節(jié)物質(zhì)可能對植物間的根系互作產(chǎn)生直接影響；更重要的是，植物在獲取不同空間范圍土壤養(yǎng)分時，褪黑素對植物根系可塑性的調(diào)控可能影響根系的水平擴展，避免植物對有限資源的直接競爭，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的生產(chǎn)力。

植物與土壤微生物之間密切的相互作用是根際互作的重要組成部分。植物根系通過分泌多種初級代謝產(chǎn)物(有機酸、碳水化合物和氨基酸等)和次級代謝產(chǎn)物(生物堿、萜類化合物和酚類等)，以信號、物質(zhì)流或某種形式影響根際微生物群落，招募和促進(jìn)有益微生物的定殖和生長，同時抵抗病原性或其他有害微生物[113]。目前已知的多種植物內(nèi)源生長調(diào)節(jié)物質(zhì)如黃酮類化合物、獨腳金內(nèi)酯等都是植物-微生物互作的關(guān)鍵信號[5]。同時，根際微生物不僅能感知植物或其他微生物傳遞的信號，還能夠特異性釋放多種信號分子影響植物宿主。微生物分泌的脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白、甲殼素[114-116]等觸發(fā)植物響應(yīng)，而后由相關(guān)信號通過植物激素水楊酸、茉莉酸、乙烯和其他調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，控制免疫防御與共生系統(tǒng)的建立[116-119]。微生物還可通過與根系的直接養(yǎng)分交換或者自身代謝分泌物影響根系生長[120]。Jiao等從三個葡萄品種中分離并鑒定根內(nèi)生菌解淀粉芽孢桿菌SB-9(Bacillus amyloliquefaciens SB-9) ，在體外表現(xiàn)出較高水平的褪黑素分泌能力，接種后促進(jìn)葡萄植株的生長。此外，在暴露于鹽脅迫或干旱脅迫的葡萄苗中，解淀粉芽孢桿菌SB-9的定殖增加了葡萄苗體內(nèi)褪黑素合成以及其中間體的上調(diào)[121]。這一研究為有益內(nèi)生菌和寄主植物通過褪黑素進(jìn)行的根際互作提供了有利證據(jù)。另一種葡萄內(nèi)生菌熒光假單胞菌RG11 (Pseudomonas fluorescens RG11)能夠促進(jìn)植株生長，并提高不同葡萄品種內(nèi)源性褪黑素的水平，同時在四個葡萄品種中發(fā)現(xiàn)了褪黑素前體物質(zhì)含量的種內(nèi)變化，相關(guān)的根粗提物也顯示RG11可能誘導(dǎo)褪黑素的體外生物合成[122]。這一研究提出了根際細(xì)菌中潛在的褪黑素合成途徑，并揭示了褪黑素生物合成的保守性以及植物-根際細(xì)菌互作體系下的褪黑素合成網(wǎng)絡(luò)。褪黑素是否會作為根際信號物質(zhì)調(diào)控根際微生物在植物中的定殖還是一個未知問題，它是否介導(dǎo)其他植物-微生物共生互作還有待進(jìn)一步研究(圖2)。

5 結(jié)論與展望

圖 2 褪黑素影響根系生長和根際互作的可能途徑Fig. 2 Possible pathways of melatonin influencing root growth and rhizosphere interaction

褪黑素作為植物體內(nèi)的小分子信號物質(zhì)，其生理功能與作用機制正得到逐步闡釋。本文系統(tǒng)總結(jié)了褪黑素對植物主根、側(cè)根以及根系構(gòu)型的調(diào)控作用，探討了可能的調(diào)控機制與途徑：一是通過影響地上部光合作用以及糖信號，從而調(diào)控根系生長所需的物質(zhì)和能量輸入；二是通過與生長素、乙烯等植物激素以及NO等信號分子互作，參與不同生長信號網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控過程。褪黑素對根系生長的調(diào)控進(jìn)一步影響了根土界面養(yǎng)分和水分的獲取，從而影響植物對養(yǎng)分的利用效率。植物根系生長和根系構(gòu)型的變化，可顯著影響植物種內(nèi)與種間的根-根互作、根際互作(間作、輪作)以及根-土-微生物之間的互作。褪黑素可能作為關(guān)鍵調(diào)控因子影響多種根際過程，其對根系生長和根際互作的影響將是未來深入研究根際互作調(diào)控機制的重點和方向。