丁仕林 劉朝雷 錢(qián)前,*

（1福建農(nóng)林大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，根系生物學(xué)研究中心/海峽聯(lián)合研究院，福州350002；2中國(guó)水稻研究所/水稻生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310006；第一作者：histdsl＠163.com；*通訊作者：qianqian188＠hotmail.com）

根系作為水稻主要的器官之一，具有固定水分，吸收養(yǎng)分，合成與分泌激素、酶、有機(jī)酸等功能[1]。但由于根系生長(zhǎng)在看不見(jiàn)的土壤環(huán)境中，難以對(duì)水稻根系無(wú)損傷的取樣，對(duì)水稻根系形態(tài)性狀的觀察、統(tǒng)計(jì)和分析難度都較大，因此相對(duì)于地上部性狀而言，對(duì)水稻根系的研究較為落后。近年來(lái)，由于基因圖位克隆技術(shù)的完善與發(fā)展，相關(guān)生物信息學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)，根系研究方法不斷創(chuàng)新與發(fā)展，促進(jìn)了水稻的根系研究。本文介紹了國(guó)內(nèi)外水稻根系研究的方法，水稻根系的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)基因的定位、克隆和功能研究等方面的進(jìn)展，對(duì)根系的理論研究以及根系育種進(jìn)行了展望。

1 水稻根系的結(jié)構(gòu)及其主要功能

水稻的根屬于須根系，由1條種子根和大量不定根及側(cè)根組成，種子根由胚根發(fā)育形成，不定根出自莖節(jié)根帶的根點(diǎn)（根原基），種子根（1條）和不定根的數(shù)目是有限的。側(cè)根發(fā)生起始于特定的中柱鞘細(xì)胞，是水稻根系不可缺少的部分[2]。水稻根從根尖到根基一般分為根冠、分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)，除了根冠與其他組織具有明顯的分界之外，其他三個(gè)區(qū)域都是相互重疊的。根尖的最前端部分是根冠，每天都有許多細(xì)胞從根冠表面脫落下來(lái)，稱為根邊緣細(xì)胞，它們包裹在根冠的周?chē)撬靖诒砻婧屯寥篱g的“界限”。大部分水稻邊緣細(xì)胞呈橢圓形或者長(zhǎng)桿狀，主要分布于根尖0～2 mm處[3-4]，當(dāng)根表皮的細(xì)胞由伸長(zhǎng)區(qū)發(fā)育至根毛區(qū)，部分表皮細(xì)胞開(kāi)始發(fā)生突起形成根毛。根的橫剖面由中柱、皮層、表皮等部分組成，中柱內(nèi)含有木質(zhì)部的大導(dǎo)管呈輻射狀排列，韌皮部與后生木質(zhì)部相間排列。水稻根尖皮層組織中細(xì)胞分離或部分皮層細(xì)胞崩潰，形成通氣組織，通氣組織可以促進(jìn)氧氣擴(kuò)散進(jìn)入根部，同時(shí)使根部的甲烷、H2S、CO2等氣體排到體外，調(diào)節(jié)根際氧化勢(shì)，排泄廢氣[2]。

水稻根系具有多種功能，其物理功能主要是固定植株，其次是養(yǎng)分和水分吸收的主要器官，又具有合成和分泌多種氨基酸、有機(jī)酸和激素等生理活性物質(zhì)的功能。李娟等[5]對(duì)多個(gè)水稻養(yǎng)分吸收動(dòng)態(tài)的模擬模型分析得出，水稻根系常數(shù)平均值是 K＞N＞P，水稻氮鉀吸收過(guò)程基本同步，磷則稍晚，平衡施肥能夠顯著提高根系對(duì)氮、磷、鉀的吸收能力。水稻根系除了可以吸收氮、磷、鉀等無(wú)機(jī)養(yǎng)分和水分之外，還可以吸收二氧化碳或者碳酸。孫桂蓮等[6]采用同位素示蹤技術(shù)研究了水稻對(duì)的吸收和積累動(dòng)態(tài)，結(jié)果在水稻各部位均檢測(cè)到了14C的存在，通過(guò)下部組織吸收的會(huì)向上部組織輸送，并在葉片和稻穗中積累。隨著研究的推進(jìn)，科研工作者發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的根系分泌物。陸定志等[7]從水稻根系傷流液中分離出了30多種氨基酸。FUKUMORITA等[8]研究發(fā)現(xiàn)，根系可以合成蔗糖和游離氨基酸。HAYASHI等[9-12]發(fā)現(xiàn)，水稻傷流液中還含有赤霉素、脫落酸、細(xì)胞分裂素和乙烯前體等植物激素類物質(zhì)和檸檬酸、琥珀酸、蘋(píng)果酸等有機(jī)酸類物質(zhì)。

2 水稻根系研究方法

由于根系處于土壤環(huán)境中，尤其是水稻根系纖細(xì)并且長(zhǎng)期生長(zhǎng)在淹水環(huán)境中，因而對(duì)水稻根系的取樣、測(cè)定都存在一定的困難。1727年德國(guó)學(xué)者HALES用挖掘法研究植物根系在土壤中的分布情況。1892年KING采用鐵絲箱隔離土法得到了近似自然狀態(tài)下的水稻根系。之后，美國(guó)生態(tài)學(xué)家WEAVER對(duì)挖掘法進(jìn)行了改進(jìn)，于1923年首次使用新挖掘法開(kāi)展水稻根系研究，對(duì)水稻根系研究起到了很大的促進(jìn)作用[13-15]。

圖1 水稻根系結(jié)構(gòu)

2.1 挖掘法

對(duì)水稻根系進(jìn)行挖掘研究的方法大概有 5種：原狀土柱法[16]、原狀土片法[17]、簡(jiǎn)易根箱法[18]、網(wǎng)袋法[19]和塑料管土柱法[20]。

2.2 非挖掘法

由于在挖掘根系的過(guò)程中多少會(huì)損傷到根系，并且有時(shí)不能獲得完整的根系，而非挖掘法克服了挖掘法會(huì)損傷根系的不足，可以準(zhǔn)確測(cè)量根系性狀，但是不能展現(xiàn)水稻根系在土壤中的自然分布情況，不能讓人直觀的觀察到水稻根系在不同土壤條件下的生長(zhǎng)形態(tài)及特點(diǎn)。非挖掘法主要有同位素示蹤法[21]、霧培法[22]、桶盆缽栽培法[23]、沙培法[22]和水培法[24]。

2.3 虛擬模型法

植物形態(tài)結(jié)構(gòu)模擬與可視化研究起源于 20世紀(jì)60年代，目前在根系空間分布特性的三維建模與可視化表達(dá)這方面的研究并不多見(jiàn)。劉桃菊等[25]根據(jù)L-系統(tǒng)的生成規(guī)則和水稻根系的分布形態(tài)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)了水稻根系的三維重建。PAGES等[26]提出了一種可以系統(tǒng)地描述根系生長(zhǎng)發(fā)育全部過(guò)程的根系通用模型-Root Typ。徐其軍等[27]在水稻生長(zhǎng)過(guò)程中根尖的生長(zhǎng)變化模式，根據(jù)水稻根系形態(tài)特征參數(shù)，構(gòu)建了三維顯示模型，實(shí)現(xiàn)了可視化表達(dá)。張玉等[28]通過(guò)測(cè)定水稻根系坐標(biāo)和分析根系分布特性，建立了根系的橫向和縱向分布模型。根系虛擬模型法通過(guò)計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了根系形態(tài)的三維模擬，為水稻根系可視化提供了技術(shù)支持。

3 水稻根系性狀的QTL

目前，關(guān)于水稻根系相關(guān)性狀的QTL已經(jīng)發(fā)表數(shù)百個(gè)，主要涉及植株總根長(zhǎng)、最大根長(zhǎng)、根面積、體積、根直徑、根干質(zhì)量、根系的穿透力、根系活力、根系傷流量、不定根數(shù)量等。徐曉明等[29]利用輪回親本中恢9308（R9308）回交多代的高代回交群體與超級(jí)稻協(xié)優(yōu)9308衍生重組自交系為材料，采用瓊脂無(wú)土栽培技術(shù)，將水稻根長(zhǎng)QTL—qRL4定位在第4號(hào)染色體分子標(biāo)記RM5687與InDel49間624.6 kb范圍內(nèi)。沈波等[30]應(yīng)用珍汕97B/密陽(yáng)46構(gòu)建的重組自交系（RIL）群體對(duì)根系傷流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，檢測(cè)到4對(duì)控制根系活力的上位性互作。翟榮榮等[31]以協(xié)青早B/中恢9308構(gòu)建的234個(gè)重組自交系（RIL），在正常水分和20%聚乙二醇處理?xiàng)l件下對(duì)水稻最長(zhǎng)根長(zhǎng)、根表面積、體積、根平均直徑、根尖數(shù)、根鮮質(zhì)量、根冠比和總根長(zhǎng)進(jìn)行QTL定位，正常水分條件下檢測(cè)到 7個(gè)QTL，分布在第 2、3、9、10、11染色體上；水分脅迫條件下檢測(cè)到14個(gè)QTL，分布在第 2、3、5、6、9 染色體上，在第 3 染色體上 RM6283～RM7370區(qū)間發(fā)現(xiàn)了苗期根系性狀與抗旱性以及產(chǎn)量相關(guān)的性狀存在連鎖關(guān)系。姜樹(shù)坤等[32]構(gòu)建以北陸129、笹錦及其雜交衍生的回交重組自交系群體（RIL），對(duì)水稻根系相關(guān)性狀進(jìn)行檢測(cè)，得出這些QTL主要分布在 第1、2、5、9和 11染色體上，在第9和第11染色體上QTL成簇分布，其中，發(fā)現(xiàn) 第11染色體上5461121～6686166 bp之間1個(gè)控制根表面積、根數(shù)和根長(zhǎng)的 QTL—qRL11。趙春芳等[33]在低磷條件下以9311為背景的日本晴置換系為材料，對(duì)水稻苗期不定根及相對(duì)性狀進(jìn)行了QTL定位，結(jié)果定位到 9個(gè)QTLs，根長(zhǎng)和相對(duì)性狀中共同檢測(cè)到1個(gè) QTL，位于第5染色體上。王小虎等[34]以窄葉青8號(hào)/京系17的F1花培加倍單倍體分離群體為材料，在水培條件下，對(duì)水稻最大根長(zhǎng)、根干質(zhì)量、根數(shù)、根基數(shù)和根冠比等性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)和最大根長(zhǎng)、總根數(shù)、根干質(zhì)量相關(guān)的QTL各有 2個(gè)，分別位于第1和第6、第 1和第2、第1和第12染色體上，結(jié)果表明各根系性狀與植株分蘗數(shù)、株周長(zhǎng)、單蘗直徑和地上部干質(zhì)量存在顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，根系各性狀之間也存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。班超等[35]對(duì)已經(jīng)發(fā)表的在水旱條件下水稻根系性狀QTL進(jìn)行了整理，通過(guò)QTL的貢獻(xiàn)率，分析得到 11個(gè)主效的 QTL，確定第 1、2、3、5、11 號(hào)染色體上一共11個(gè)分子標(biāo)記區(qū)域?yàn)椤耙灰蚨嘈А笨赡苄员容^大的區(qū)域，并且通過(guò)分析還得到35個(gè)可信度很大的QTL和3個(gè)“熱點(diǎn)”QTL。XIAO等[36]在冷脅迫處理?xiàng)l件下，以根系的電導(dǎo)率為指標(biāo)，在第10染色體上定位到2個(gè)耐冷QTL，分別為qRC10-1和qRC10-2，通過(guò)對(duì)qRC10-2的精細(xì)定位，在48.5 kb的候選區(qū)域，Os10g0489500和Os10g0490100被確定為qRC10-2的候選基因。QU等[37]通過(guò)構(gòu)建IRAT109/Yuefu的120個(gè)的重組自交系（RILs），在水稻苗期、分蘗期、抽穗期、結(jié)實(shí)期、成熟期，測(cè)量水稻根系的根基粗、根數(shù)、最大根長(zhǎng)、根鮮質(zhì)量、根干質(zhì)量、根體積等相關(guān)性狀，這表明大多數(shù)QTLs都是在特定的發(fā)育階段的。其中，不同性狀的QTLs在水稻不同的遺傳群體的相同標(biāo)記區(qū)間可以重復(fù)檢測(cè)到，反映出該QTLs的穩(wěn)定遺傳并且具有一因多效。因此，在進(jìn)行分子標(biāo)記輔助育種時(shí)可以同步選擇多類性狀和基因，從而同步改良多個(gè)農(nóng)藝性狀，這些主效 QTL、一因多效的 QTL、成簇分布的 QTL以及“熱點(diǎn)”可以作為水稻根系分子育種的重要依據(jù)，加速重要根系性狀的基因定位、克隆以及分子育種研究進(jìn)程。

4 根系相關(guān)基因克隆

目前，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家利用圖位克隆技術(shù)以及構(gòu)建水稻永久性和臨時(shí)性遺傳群體對(duì)水稻基因的定位、分離、克隆，已經(jīng)克隆出一些調(diào)控水稻不定根、冠根、側(cè)根、根毛等性狀的基因。在水稻中ral1是第一個(gè)在原形成發(fā)育和維管形態(tài)受損的突變體，通過(guò)敲除RAL1、RAL2、RAL1會(huì)導(dǎo)致維管發(fā)育缺陷[38]。OsCEM編碼了一種與生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸有關(guān)的蛋白質(zhì)并且只表達(dá)在芽中[39]。INUKAI等[40]通過(guò)對(duì)不定根形成有缺陷的突變體研究定位了CRL1，這個(gè)基因功能為抑制不定根的形成，CRL1編碼一個(gè)在側(cè)根、維管束組織、不定根的原基、胚子葉以及幼莖中表達(dá)的具有LOB結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)；CRL2與不定根以及側(cè)根原基的形成有關(guān)[41]；CRL3只參與不定根原基的形成，而與其他類型根原基和地上部頂端分生組織的形成無(wú)關(guān)[42]；CRL4編碼 OsGNOM1蛋白在不定根原基、維管組織、根尖、葉片、側(cè)根表達(dá)，CRL4受到OsPINs家族的調(diào)控，通過(guò)極性運(yùn)輸調(diào)控不定根的形成[43]；CRL5編碼了1個(gè) AP2/ERF轉(zhuǎn)錄因子家族蛋白質(zhì)，在生長(zhǎng)素的作用下CRL5可以誘導(dǎo)不定根的形成起始[44]。OsSCR1和OsSCR2主要功能為參與根系發(fā)育過(guò)程，對(duì)根內(nèi)皮層/皮層前體細(xì)胞的不對(duì)稱分裂至關(guān)重要，并且在內(nèi)皮層細(xì)胞中表達(dá)，當(dāng)根尖內(nèi)皮層細(xì)胞不均等分裂之后表達(dá)水平被下調(diào)[45]。OsKSR2的主要功能為調(diào)控根系發(fā)育，突變體Osksr2的初生根、不定根、側(cè)根的伸長(zhǎng)受到抑制[46]。OsCAND1主要負(fù)責(zé)不定根生長(zhǎng)起始，WANG等[47]通過(guò)突變體Oscand1發(fā)現(xiàn)根的分生組織中G2/M細(xì)胞周期性循環(huán)中止，從而導(dǎo)致不定根不能正常生長(zhǎng)，在不定根原基的發(fā)育過(guò)程中，OsCAND1的表達(dá)局限于根冠。LI等[48]證明了過(guò)表達(dá)轉(zhuǎn)錄因子基因TaMOR可以增加水稻不定根數(shù)并且獲得更高的產(chǎn)量，TaMOR編碼了屬于 AS2/LOB蛋白家族的1個(gè)在植物中特定的轉(zhuǎn)錄因子，組織表達(dá)模式顯示了TaMOR主要表達(dá)在根形成起始階段。

根系伸長(zhǎng)主要是由根系頂端分生組織干細(xì)胞所驅(qū)動(dòng)。INUKAI等[40]發(fā)現(xiàn)，突變體rrl1、rrl2顯示出較短的根系，RRL1和RRL2抑制了根系頂端分生組織細(xì)胞的延伸；INUKAI等[49]還發(fā)現(xiàn)，突變體rrl3對(duì)機(jī)械刺激敏感且根系較短，在機(jī)械阻礙條件下RRL3調(diào)控分生區(qū)細(xì)胞分裂過(guò)程，但不調(diào)控對(duì)ABA、IAA和乙烯的敏感性。SRT6的表達(dá)可以抑制初生根的發(fā)育，顯著減少初生根的長(zhǎng)度和根系直徑。OsGNA1編碼6-磷酸氨基葡萄糖胺乙酰轉(zhuǎn)移酶，參與到UDPN-乙酰氨基葡萄糖的生物合成[50]。WU等[51]發(fā)現(xiàn)突變體gna1在根系延伸方面對(duì)溫敏缺陷，突變體的異常根形態(tài)包括根的縮短、微管的中斷、伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞的收縮。JIA等[52]發(fā)現(xiàn)，突變體Osspr1顯示根細(xì)胞伸長(zhǎng)減少，OsSPR1編碼1個(gè)線粒體蛋白質(zhì)。OsDGL1編碼長(zhǎng)醇-二磷酸寡糖蛋白質(zhì)糖基轉(zhuǎn)移酶48 kDa亞基前體。LIU等[53]發(fā)現(xiàn)，突變體osdgl1在根系細(xì)胞壁上多糖發(fā)生變化，根細(xì)胞長(zhǎng)度較短，根分生組織較小和細(xì)胞死亡。OsCKI1編碼了一種酪蛋白激酶，在水稻的不定根的形成和生長(zhǎng)中起著重要的作用[53]。ZHOU等[54]證明，WOX11能夠促進(jìn)水稻不定根的起始和伸長(zhǎng)，WOX11和ADA2-GCN5調(diào)控的是一組參與能量代謝、細(xì)胞壁生物合成和激素反應(yīng)的根特定基因，WOX11通過(guò)招募ADA2-GCN5建立了不定根分生組織細(xì)胞分裂的基因表達(dá)程序。CHEN等[55]分離出1個(gè)根系細(xì)胞變小的短根突變體，通過(guò)圖位克隆和全基因組測(cè)序定位到1個(gè)氯離子轉(zhuǎn)運(yùn)體（OsCCC1），OsCCC1在根系和地上部中表達(dá)尤其在根尖中大量表達(dá)，其通過(guò)調(diào)控Cl-、K+、Na+穩(wěn)態(tài)來(lái)維持細(xì)胞滲透勢(shì)，從而參與到根系細(xì)胞的伸長(zhǎng)。

側(cè)根起源于種子根和不定根，根毛起源于表皮細(xì)胞的分化，在水分和養(yǎng)分吸收方面都具有重要作用，目前很多和側(cè)根、根毛發(fā)育有關(guān)的基因已經(jīng)被定位到。突變體lrt1和lrt2不能夠形成側(cè)根和不能感受重力，對(duì)2,4-D、NAA、IBA和IAA具有排斥反應(yīng)，從而影響根系形態(tài)[56]。CHO等[57]發(fā)現(xiàn)，OsWOX3具有促進(jìn)器官發(fā)育的作用，包括側(cè)根分支和葉片中維管組織的形成、小穗中外稃和內(nèi)稃的形態(tài)建成、分蘗和側(cè)根的數(shù)量。一對(duì)重復(fù)基因（NAL2和NAL3）編碼 OsWOX3A，具有調(diào)控根毛形成的作用。CHEN等[58]發(fā)現(xiàn)，OsORC3在根系分生區(qū)和子房、花藥等部位大量表達(dá)，當(dāng)它的外顯子1個(gè)堿基A突變?yōu)镚，會(huì)導(dǎo)致側(cè)根和根毛的生長(zhǎng)受到抑制。Arm1和Arm2作用于生長(zhǎng)素響應(yīng)通路的不同過(guò)程中調(diào)控側(cè)根形成，突變體arm1顯示了各種根系形態(tài)缺陷，包括減少側(cè)根的形成、增加種子根的伸長(zhǎng)、減少根直徑和抑制根系木質(zhì)部的發(fā)育；然而，突變體arm2則減少側(cè)根的形成，抑制根系木質(zhì)部發(fā)育以及提高株高[59]。在水稻中OsAPY是1個(gè)調(diào)控根毛伸長(zhǎng)和植株生長(zhǎng)的重要基因，由于OsAPY的突變，突變體rth1顯示出無(wú)根毛[60]。突變體rh2完全失去了根毛且根長(zhǎng)縮短，株高降低[61]。OsCSLD1可以調(diào)控根毛伸長(zhǎng)而不調(diào)控根系起始，只表達(dá)在根毛細(xì)胞中。OsRHL1是一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子，負(fù)責(zé)調(diào)控根毛的發(fā)育[62]。OsSRH1和OsSRH3負(fù)責(zé)調(diào)控根毛的長(zhǎng)度且兩者都為短根毛基因[63]。OsEXPB5編碼在根毛形態(tài)建成過(guò)程中更有效地作用于修飾細(xì)胞壁的蛋白質(zhì)[64]。OsEXPA17表達(dá)在根毛細(xì)胞中，包含1個(gè)點(diǎn)突變，導(dǎo)致氨基酸序列發(fā)生變化，從而導(dǎo)致根毛變短[60]。GIRI等[65]證明了生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白OsAUX1的主要功能為當(dāng)根系外部磷濃度較低時(shí)，OsAUX1可以將根尖部位的生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)椒稚鷧^(qū)，從而促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)。

根角對(duì)獲取像磷酸鹽這樣積累在表層土壤的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有很大的影響,低磷條件下誘導(dǎo)較淺的根系生長(zhǎng)作為一種適應(yīng)性反應(yīng)，因此，控制根角的基因和機(jī)制對(duì)植物育種至關(guān)重要。HUANG等[66]發(fā)現(xiàn)了1個(gè)微絲結(jié)合蛋白-RMD，通過(guò)微絲和平衡細(xì)胞的連接來(lái)控制根系生長(zhǎng)角度，RMD在低磷條件下上調(diào)了RMD蛋白水平，但是缺乏RMD蛋白的根系具有更陡峭的冠根角度并且對(duì)外界磷酸鹽的濃度反應(yīng)不敏感，因此根角度對(duì)外部磷酸鹽獲取的適應(yīng)性變化是依靠RMD蛋白調(diào)控的。

5 展望

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于水稻根系性狀方面的研究主要為QTLs和基因功能研究，雖然在根系研究中有很多QTLs已經(jīng)報(bào)道，但是真正從相關(guān)根系性狀QTLs克隆到相關(guān)功能基因卻很少，難以驗(yàn)證其功能，因此在未來(lái)研究過(guò)程中要采用多種方法進(jìn)行根系性狀QTL以及有利基因的定位。我們知道水稻根系相關(guān)性狀和地上部性狀存在不同程度的相關(guān)性，在基因型水平也存在相關(guān)性，因此今后關(guān)于根系研究的重點(diǎn)應(yīng)放在各性狀基因間的相關(guān)性上，實(shí)現(xiàn)調(diào)控水稻地上部農(nóng)藝性狀和根系相關(guān)性狀在基因水平的最優(yōu)搭配，從而培育出以至于“設(shè)計(jì)”出水稻地上部和根系最優(yōu)搭配的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特性的水稻品種。