李維林，魏智文，楊海燕，吳文龍

（1.南京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院/南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2.江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所果樹(shù)研究中心，南京 210014）

分枝是高等植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要性狀之一，對(duì)作物株型、生物量和結(jié)實(shí)量以及環(huán)境適應(yīng)力具有顯著影響。植物分枝發(fā)育過(guò)程包括腋生分生組織（axillary meristem，AM）形成和腋芽生長(zhǎng)發(fā)育兩個(gè)階段，AM在葉腋處形成后，進(jìn)一步發(fā)育成腋芽，在適宜條件下，腋芽能夠生長(zhǎng)發(fā)育成側(cè)枝，否則繼續(xù)保持休眠狀態(tài)。植物分枝受腋生分生組織活力的影響，腋芽萌發(fā)增加了側(cè)枝數(shù)量。受遺傳因素影響，植物分枝類(lèi)型主要包括單軸分枝、合軸分枝、二叉分枝、假二叉分枝和分蘗。比如，水稻、擬南芥和豌豆等植物的分枝構(gòu)型。分枝生長(zhǎng)發(fā)育除了受本身遺傳特征影響外，環(huán)境因素和植物激素對(duì)高等植物分枝形成和發(fā)育也具有重要調(diào)控作用。

植物激素在植物分枝發(fā)育過(guò)程中具有關(guān)鍵作用。大量研究表明，生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和獨(dú)腳金內(nèi)脂是影響分枝的主要激素，而作為公認(rèn)的第二信使，細(xì)胞分裂素被認(rèn)為是促進(jìn)分枝的關(guān)鍵因子。一般認(rèn)為，細(xì)胞分裂素是參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的主要激素，在誘導(dǎo)芽分化、促進(jìn)種子萌發(fā)、延緩葉片衰老、運(yùn)輸和分配營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)等方面都具有重要作用。此外，相關(guān)研究表明，細(xì)胞分裂素的合成、運(yùn)輸、降解、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及與其他激素和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的互作作用等都能夠?qū)χ参锓种Φ纳L(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生影響。氮素是植物生命活動(dòng)中所需的大量元素，在植物生命活動(dòng)過(guò)程中具有生理調(diào)節(jié)功能，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育和作物產(chǎn)量形成具有至關(guān)重要的作用。植物一般能夠利用土壤中的有機(jī)態(tài)氮和無(wú)機(jī)態(tài)氮兩種形式氮素，并且在生產(chǎn)過(guò)程中，施用氮肥的形態(tài)和水平與作物產(chǎn)量、形態(tài)和品質(zhì)密切相關(guān)。另外，關(guān)于影響高等植物分枝方面，氮素和植物激素之間存在一定的聯(lián)系。氮素主要通過(guò)影響生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、獨(dú)腳金內(nèi)脂等激素的合成和運(yùn)輸，從而間接調(diào)控植物分枝，而細(xì)胞分裂素則作用于氮素的轉(zhuǎn)運(yùn)、吸收和同化等過(guò)程，進(jìn)而影響植物分枝形成和發(fā)育。目前，關(guān)于細(xì)胞分裂素和氮素共同參與調(diào)控植物側(cè)枝形成和發(fā)育的相關(guān)研究較少，因此，本研究主要通過(guò)闡述細(xì)胞分裂素和氮素在植物側(cè)枝生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的功能和調(diào)控機(jī)制，以及細(xì)胞分裂素參與氮素調(diào)控植物側(cè)枝形成和發(fā)育的作用機(jī)制，并對(duì)后續(xù)的研究?jī)?nèi)容提出相關(guān)建議，為植物側(cè)枝的生長(zhǎng)發(fā)育研究提供一定的參考依據(jù)。

1 細(xì)胞分裂素的合成和功能

細(xì)胞分裂素是最早發(fā)現(xiàn)的植物激素之一，早在1955年，MILLER等在經(jīng)高壓滅菌的鯡魚(yú)精子DNA降解產(chǎn)物中分離出一種能夠促進(jìn)細(xì)胞分裂與分化的物質(zhì)，并將其命名為激動(dòng)素。隨著越來(lái)越多的具有促進(jìn)細(xì)胞分裂功能的物質(zhì)被分離和發(fā)現(xiàn)，研究者將類(lèi)似于激動(dòng)素的生理活性和作用方式，能夠促進(jìn)細(xì)胞分裂并且對(duì)植物具有其他生長(zhǎng)發(fā)育調(diào)節(jié)功能的物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為細(xì)胞分裂素。

1.1 細(xì)胞分裂素的合成

細(xì)胞分裂素是腺嘌呤衍生物且通常以類(lèi)異戊二烯的形式存在于植物體內(nèi)，在高等植物中發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞分裂素主要包括反式玉米素（tZ）、順勢(shì)玉米素（cZ）、二氫玉米素（DZ）和異戊烯腺嘌呤（iP）等（圖1），而反式玉米素型（tZ-CTK）和異戊烯基腺嘌呤型（iP-CTK)是植物體內(nèi)發(fā)揮主要作用的細(xì)胞分裂素。細(xì)胞分裂素在植物體內(nèi)的生物合成包括從頭合成和tRNA 分解兩條途徑。普遍認(rèn)為，tZ 類(lèi)和iP 類(lèi)細(xì)胞分裂素的合成依賴(lài)于從頭合成途徑，該途徑是植物體內(nèi)主要的細(xì)胞分裂素合成途徑，負(fù)責(zé)大部分內(nèi)源細(xì)胞分裂素的合成，而作為次要途徑的tRNA 分解途徑則主要合成順式玉米素型細(xì)胞分裂素（cZ-CTK）。

圖1 植物中的主要細(xì)胞分裂素結(jié)構(gòu)圖[34]Figure 1 Schematic diagram of major cytokinins in plants

從頭合成途徑是以異戊烯基側(cè)鏈為底物，包括AMP途徑、ATP/ADP途徑和旁路途徑（圖2）。細(xì)胞分裂素合成的第一步由異戊烯基轉(zhuǎn)移酶（IPT）催化，該酶也是細(xì)胞分裂素合成過(guò)程中的限速酶。AMP、ATP 和ADP 分別在IPT 的催化下生成單磷酸異戊烯基腺苷（iPRMP）、三磷酸異戊烯基腺苷（iPRTP）和二磷酸異戊烯基腺苷（iPRDP）等中間產(chǎn)物。其次，iPRMP、iPRTP 和iPRDP 等在細(xì)胞色素氧化酶P450（CYP735A）的作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為核苷酸形式的反式玉米素核苷（tZR）。細(xì)胞分裂素合成的最后一步是在細(xì)胞分裂素磷酸核糖水解酶（LOG）的催化作用下合成iP、tZ 和DZ 等細(xì)胞分裂素。另外，相關(guān)研究表明，細(xì)胞分裂素氧化酶（CKX）是植物體內(nèi)唯一具有降解活性細(xì)胞分裂素功能的酶。iP 和tZ 等細(xì)胞分裂素在CKX 的作用下釋放出游離腺嘌呤或者游離腺嘌呤核苷，從而失去活性，完成降解過(guò)程。此外，通過(guò)形成配合物的方式也可以使細(xì)胞分裂素失去功能活性。在細(xì)胞分裂素的合成場(chǎng)所方面，之前的研究者認(rèn)為，根系是細(xì)胞分裂素合成的唯一部位，根系合成的細(xì)胞分裂素再通過(guò)體內(nèi)運(yùn)輸?shù)街参锏那o葉等地上部。國(guó)內(nèi)外研究者的進(jìn)一步研究表明，根部只是細(xì)胞分裂素的主要合成場(chǎng)所，芽、葉、種子和果實(shí)等器官也具有合成細(xì)胞分裂素的功能。但植物不同場(chǎng)所合成的細(xì)胞分裂素類(lèi)型具有差異，IPT3和LOG 基因在植物的根系和地上部分都可以表達(dá)，而CYP735A1 和CYP735A2一般只在根系中表達(dá)，因此，這些關(guān)鍵基因在不同部位表達(dá)水平的差異導(dǎo)致tZ-CTK 和iP-CTK 分別主要在植物的根系和地上部分合成。

圖2 細(xì)胞分裂素合成途徑Figure 2 Cytokinin synthesis pathway

1.2 細(xì)胞分裂素的功能

細(xì)胞分裂素廣泛參與植物的生理代謝活動(dòng)，是植物體內(nèi)不可或缺的關(guān)鍵激素。細(xì)胞分裂素的首要功能是促進(jìn)細(xì)胞分裂和體積擴(kuò)大。一般情況下，在植物地上部分，施加細(xì)胞分裂素能夠顯著促進(jìn)細(xì)胞增殖的能力，而與地上部分的促生作用相反，用細(xì)胞分裂素處理根系，在一定程度上抑制根系分生組織細(xì)胞分裂和分化，不利于根系的生長(zhǎng)發(fā)育。李小艷等研究表明，細(xì)胞分裂素有助于玉米胚乳細(xì)胞數(shù)目增多；陳潔則認(rèn)為，細(xì)胞分裂素對(duì)蘋(píng)果和梨的果實(shí)體積增大具有促進(jìn)作用。

早期的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂素能夠誘導(dǎo)愈傷組織分化，向煙草愈傷組織中添加不同比例的細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素能夠誘導(dǎo)其分化方向。結(jié)果表明，細(xì)胞分裂素濃度較高和生長(zhǎng)素濃度較低時(shí)，有利于愈傷組織分化成芽，反之則促進(jìn)根的形成，而兩者濃度相同時(shí)，愈傷組織只生長(zhǎng)，不發(fā)生分化。同樣，利用該原理，在玉米、水稻、小麥等重要農(nóng)作物和楊樹(shù)、桉樹(shù)等用材樹(shù)種中也成功培養(yǎng)出了離體芽。

延緩植物葉片衰老是細(xì)胞分裂素特有的生理功能。用細(xì)胞分裂素處理葉片，能夠抑制葉綠素和蛋白質(zhì)等物質(zhì)水解酶的活性，減少活性氧的生成，進(jìn)而降低葉片結(jié)構(gòu)的破壞速度和緩解植物生理代謝的衰退程度，延緩葉片衰老。并且以擬南芥、黑麥草和黃瓜等植物為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素對(duì)植物衰老具有負(fù)調(diào)控作用。同樣，植物離體葉片施用細(xì)胞分裂素后也能存活一定時(shí)間。

細(xì)胞分裂素在植物抗性方面也發(fā)揮著重要作用。在脅迫環(huán)境下，植物容易出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，導(dǎo)致抗性減弱。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素含量影響植物的抗性，細(xì)胞分裂素延緩植物衰老的同時(shí)，能夠增強(qiáng)植物的抗逆性。此外，細(xì)胞分裂素對(duì)葉綠體發(fā)育、側(cè)枝發(fā)生、種子發(fā)育和光形態(tài)建成等方面也具有重要意義，并且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，施加細(xì)胞分裂素是提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)的重要措施。

2 氮素的功能

氮素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子，也是生產(chǎn)環(huán)境中的限制因素，被稱(chēng)為“生命元素”，不僅是構(gòu)成生物膜、原生質(zhì)、細(xì)胞核、植物激素和植物體內(nèi)一系列含氮化合物的主要成分，而且在植物的細(xì)胞分裂與分化、光合作用、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)、生殖發(fā)育、抗逆性和其他生理代謝活動(dòng)中具有不可替代的作用，影響著植物各階段的生長(zhǎng)發(fā)育和作物產(chǎn)量及品質(zhì)形成。

氮素形態(tài)和水平對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育能夠產(chǎn)生顯著影響。大量研究表明，植物通過(guò)根系吸收利用土壤中的無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮來(lái)滿(mǎn)足自身的氮素需求。硝態(tài)氮（NO-N）和銨態(tài)氮（NH-N）是植物利用的主要氮素來(lái)源，兩者不同的理化性質(zhì)顯著影響植物對(duì)氮素的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化等過(guò)程，從而對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程和生理代謝活動(dòng)具有不同的調(diào)控效應(yīng)。比如，果樹(shù)一般認(rèn)為是喜硝植物，相關(guān)研究表明對(duì)果樹(shù)施用硝態(tài)氮肥能夠更好的促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)，而水稻、茶葉和藍(lán)莓等則更偏向于吸收銨態(tài)氮，也有學(xué)者認(rèn)為對(duì)大多數(shù)植物幼苗施用銨態(tài)氮肥的促進(jìn)效果好于硝態(tài)氮。植物根系是吸收土壤中氮素的重要器官，氮素形態(tài)對(duì)其形態(tài)和生產(chǎn)力等方面具有直接影響。正常條件下，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都有利于植物根系生物量的積累，但在根系生長(zhǎng)的作用效果方面差異顯著。研究表明，植物根系吸收硝態(tài)氮后，有利于根系側(cè)根數(shù)目增加和長(zhǎng)度伸長(zhǎng)，而銨態(tài)氮?jiǎng)t抑制根系的生長(zhǎng)，但當(dāng)兩種形態(tài)的氮素施加濃度過(guò)高時(shí)，都對(duì)植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育有一定的抑制作用。許多研究發(fā)現(xiàn)，氮素也是植物光合作用的重要調(diào)控物質(zhì)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)植物施加適宜濃度的氮素，能夠提高植物的氮素利用效率，進(jìn)而增加植物葉片葉綠素的含量和暗反應(yīng)中部分酶的活性，植物的光合作用得以增強(qiáng)。同樣，氮素形態(tài)也能夠影響作物的光合作用，銨態(tài)氮有利于作物的光合作用，但處理濃度過(guò)高容易導(dǎo)致植物產(chǎn)生銨毒作用，而硝態(tài)氮在一定程度上會(huì)降低葉片葉綠素含量，抑制植物的光合作用。供氮水平也直接影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量，在果樹(shù)的穩(wěn)果期時(shí)，氮素不足或者施氮過(guò)量都會(huì)導(dǎo)致落花落果，對(duì)果實(shí)的品質(zhì)和產(chǎn)量產(chǎn)生影響。關(guān)于氮素影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量方面已有大量的研究報(bào)道，但相關(guān)結(jié)果都表明作物品質(zhì)和產(chǎn)量的提高依賴(lài)于合理的氮素形態(tài)配比。

3 氮素在植物側(cè)枝發(fā)育過(guò)程中的功能

作為與植物生命活動(dòng)關(guān)系密切的營(yíng)養(yǎng)元素，氮素在調(diào)控植物側(cè)枝發(fā)育方面具有重要作用。BRAIN 等認(rèn)為，氮素主要通過(guò)營(yíng)養(yǎng)途徑和信號(hào)途徑對(duì)植物生理代謝活動(dòng)產(chǎn)生影響，從而調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育。一般而言，施用氮肥對(duì)植物的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)具有顯著影響并且利于植物分枝，氮素能夠調(diào)控植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸，協(xié)調(diào)養(yǎng)分在植物地上部分和地下部分之間分配，進(jìn)而影響植物的根冠比，對(duì)植物分枝的作用效果顯著，特別是在蔬菜產(chǎn)業(yè)中，氮肥的應(yīng)用十分廣泛和關(guān)鍵，氮素促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向莖葉器官運(yùn)輸，能夠顯著提高蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，而氮元素缺失則會(huì)降低植物分枝發(fā)生率，側(cè)枝數(shù)量減少，促進(jìn)側(cè)根數(shù)量增加，導(dǎo)致根冠比大大增加。因此，氮素對(duì)植物體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)資源的分配為分枝發(fā)生和生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造了良好的營(yíng)養(yǎng)條件，其供應(yīng)水平直接影響植物的分枝形成和發(fā)育過(guò)程。另外，影響植物內(nèi)源激素水平是氮素調(diào)控分枝的重要手段，氮素不僅是生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、獨(dú)腳金內(nèi)酯等主要植物激素的重要組成成分，也能通過(guò)調(diào)控植物內(nèi)源激素的合成和運(yùn)輸?shù)韧緩絹?lái)影響植物分枝。有學(xué)者認(rèn)為，氮素有利于根系細(xì)胞分裂素的合成，誘導(dǎo)細(xì)胞分裂素從根部向莖葉運(yùn)輸，促進(jìn)植物側(cè)枝生長(zhǎng)。對(duì)擬南芥的相關(guān)氮素研究表明，土壤中氮素含量增加后，能夠上調(diào)擬南芥中

IPT3

、

IPT5

和

CYP735A2

等細(xì)胞分裂素合成基因的表達(dá)，提高根系中的細(xì)胞分裂素水平，有利于細(xì)胞分裂素向地上部分運(yùn)輸并積累，從而促進(jìn)分枝。相反，如果對(duì)擬南芥的硝酸鹽供應(yīng)不足則會(huì)導(dǎo)致側(cè)芽激活延遲，分枝數(shù)量減少。同樣，早期研究發(fā)現(xiàn)，氮素對(duì)水稻分蘗生長(zhǎng)發(fā)育具有顯著的作用效果，氮素使水稻分蘗莖節(jié)處的

OSIPT1

基因表達(dá)水平增強(qiáng)，在一定的氮素濃度范圍內(nèi)，分蘗節(jié)中的細(xì)胞分裂素水平隨著氮素含量的增加而提高，并且氮素濃度對(duì)水稻分蘗數(shù)的發(fā)生具有明顯的正向調(diào)控作用。因此，氮肥高效施用是增加水稻分蘗數(shù)，獲得水稻高產(chǎn)的重要技術(shù)措施。一般情況下，獨(dú)腳金內(nèi)酯能夠抑制植物腋芽的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)側(cè)枝形成和發(fā)育具有負(fù)面影響。關(guān)于番茄的研究發(fā)現(xiàn)，低氮環(huán)境下會(huì)促進(jìn)番茄體內(nèi)獨(dú)腳金內(nèi)酯的含量，進(jìn)而抑制番茄側(cè)枝生長(zhǎng)，而在提高一些植物的氮素水平后，則減少植物體內(nèi)獨(dú)腳金內(nèi)酯的合成，使得植物分枝增加。有趣的是，氮素水平并不直接影響豆科植物中獨(dú)腳金內(nèi)酯的含量。另外，氮素也能通過(guò)影響植物體內(nèi)生長(zhǎng)素的合成和運(yùn)輸?shù)韧緩絹?lái)調(diào)控分枝過(guò)程?？傊?，氮素對(duì)植物側(cè)枝形成和發(fā)育的影響是營(yíng)養(yǎng)水平和激素調(diào)控的雙重作用。當(dāng)然，氮素相關(guān)基因也在調(diào)控植物分枝方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。有研究表明，在氮脅迫條件下，擬南芥中一種谷氨酰胺（Gln）轉(zhuǎn)移酶基因—

GAT1_2.1

基因（At1g15040)受到超過(guò)50倍的抑制，同時(shí)擬南芥的分枝形成和發(fā)育也受到顯著影響，氮調(diào)控的

GAT

基因突變會(huì)導(dǎo)致植株出現(xiàn)分枝變多的現(xiàn)象，特別是gat1_2.1 突變體的分枝數(shù)顯著增加。同樣，水稻中也存在與氮素相關(guān)的基因，比如

GS1;2

，該基因?qū)λ镜姆痔Y生長(zhǎng)具有影響，

gs1;2

的突變使水稻的分蘗數(shù)減少，并且該突變體使根莖結(jié)合處與碳代謝和氮代謝相關(guān)的基因表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而影響木質(zhì)部的合成。

4 細(xì)胞分裂素在植物側(cè)枝發(fā)育過(guò)程中的功能

作為參與植物分生組織活動(dòng)調(diào)控和相關(guān)基因表達(dá)的信號(hào)分子，細(xì)胞分裂素在植物分枝過(guò)程中扮演著重要角色。相關(guān)研究表明，細(xì)胞分裂素主要通過(guò)影響生長(zhǎng)素從莖頂端向基部的極性運(yùn)輸和調(diào)節(jié)芽中生長(zhǎng)素的生物合成兩種途徑調(diào)控植物腋芽生長(zhǎng)。因此，激素間的互作作用對(duì)植物分枝的調(diào)控十分關(guān)鍵。普遍認(rèn)為，細(xì)胞分裂素能夠激活側(cè)芽，促進(jìn)植物分枝，而生長(zhǎng)素和獨(dú)腳金內(nèi)酯則會(huì)抑制植物腋芽和側(cè)枝形成，這3 種激素共同組成激素影響植物分枝的主要調(diào)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。細(xì)胞分裂素不僅是生長(zhǎng)素重要的第二信使，而且能夠消除生長(zhǎng)素對(duì)植物側(cè)枝生長(zhǎng)的抑制作用，但生長(zhǎng)素也會(huì)阻礙細(xì)胞分裂素的生物合成和體內(nèi)運(yùn)輸。比如，DIERCK 等在激素影響菊花腋芽生長(zhǎng)的研究中得出生長(zhǎng)素水平和細(xì)胞分裂素水平成反比關(guān)系的結(jié)論。另外，頂芽產(chǎn)生的生長(zhǎng)素是植物維持頂端優(yōu)勢(shì)的重要因素。對(duì)豌豆進(jìn)行摘心處理發(fā)現(xiàn)，

PSIPT1

和

PSIPT2

等細(xì)胞分裂素相關(guān)合成基因的表達(dá)水平增加，導(dǎo)致豌豆莖節(jié)處和側(cè)芽中的細(xì)胞分裂素含量顯著增加，促進(jìn)側(cè)芽形成側(cè)枝，頂端優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象消失，但在去除頂芽處施加生長(zhǎng)素后卻能夠抑制該現(xiàn)象的發(fā)生。進(jìn)一步研究表明，頂芽釋放的生長(zhǎng)素并不會(huì)直接抑制側(cè)芽生長(zhǎng)，側(cè)芽形成和發(fā)生需要細(xì)胞分裂素的合成和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑發(fā)生作用。在頂芽未去除的情況下，用外源細(xì)胞分裂素處理植株，同樣能夠促進(jìn)側(cè)芽生長(zhǎng)。在關(guān)于細(xì)胞分裂素調(diào)控?zé)煵莸难芯恐斜砻?，降低煙草體內(nèi)的細(xì)胞分裂素含量不利于芽和頂端分生組織的發(fā)育，而追加外源細(xì)胞分裂素后，則有助于側(cè)枝形成和生長(zhǎng)。關(guān)于IAA/CTK的比值調(diào)控植物側(cè)芽生長(zhǎng)的相關(guān)研究也證明了生長(zhǎng)素和細(xì)胞分裂素在影響植物分枝方面的緊密聯(lián)系。總之，細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素之間的負(fù)向調(diào)節(jié)效應(yīng)顯著影響植物的分枝過(guò)程。同樣，在植物分枝方面，獨(dú)腳金內(nèi)酯和細(xì)胞分裂素存在一定的拮抗關(guān)系。獨(dú)腳金內(nèi)酯主要通過(guò)與細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素的互作作用來(lái)調(diào)控植物分枝形成和發(fā)育。有研究表明，獨(dú)腳金內(nèi)酯的信號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)影響生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)的運(yùn)輸，進(jìn)而抑制腋芽萌發(fā)，不利于植物側(cè)枝形成。比如，DUN等發(fā)現(xiàn)細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)豌豆側(cè)芽發(fā)育，而獨(dú)腳金內(nèi)酯卻對(duì)側(cè)芽生長(zhǎng)產(chǎn)生明顯的抑制效果。孫倩也在番茄的試驗(yàn)中得出了類(lèi)型的結(jié)果。此外，在細(xì)胞分裂素對(duì)植物分枝的分子調(diào)控機(jī)制方面也有一些相關(guān)報(bào)道。IPT 和CKX 分別是植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素合成和分解的關(guān)鍵酶，擬南芥突變體atmyb2 中

AtIPT

基因的表達(dá)水平顯著上調(diào)，細(xì)胞分裂素含量升高，具有多分枝的表型特征，而在其體內(nèi)過(guò)量表達(dá)

AtCKX1

基因則能夠加速內(nèi)源細(xì)胞分裂素的降解，進(jìn)而降低擬南芥體內(nèi)細(xì)胞分裂素的水平，減少分枝的發(fā)生，并且將擬南芥的

AtCKX

基因在煙草中過(guò)量表達(dá)也導(dǎo)致其根系和側(cè)枝的生長(zhǎng)受到顯著的抑制。另外，3 年生山椒的轉(zhuǎn)基因植株中

CaIPT

基因的表達(dá)水平明顯增強(qiáng)，出現(xiàn)細(xì)胞分裂素合成過(guò)量，分枝數(shù)增多，莖葉生長(zhǎng)量減少和延緩葉片衰老等現(xiàn)象。

BRC1

轉(zhuǎn)錄因子也在植物激素調(diào)控分枝方面發(fā)揮著重要作用，是分枝調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵點(diǎn)。一般情況下，植物中

BRC1

或者同源基因的缺失會(huì)產(chǎn)生更多的分枝，相反，該基因過(guò)量表達(dá)則抑制植物側(cè)枝形成和發(fā)育。BRAUN等研究發(fā)現(xiàn)，高水平的細(xì)胞分裂素會(huì)抑制腋芽中

BRC1

的表達(dá)，促進(jìn)植物腋芽的發(fā)育。除了

BRC1

外，

BRC2

、

TB1

和

FC1

等其他TCP家族的轉(zhuǎn)錄因子也能夠顯著影響植物分枝。這些研究表明，細(xì)胞分裂素也能在轉(zhuǎn)錄水平上調(diào)控植物分枝的生長(zhǎng)發(fā)育。

5 細(xì)胞分裂素參與氮素調(diào)控植物側(cè)枝形成和發(fā)育的研究進(jìn)展

細(xì)胞分裂素和氮素不僅是參與植物生長(zhǎng)發(fā)育的兩種關(guān)鍵物質(zhì)，而且在調(diào)控植物分枝方面都發(fā)揮著重要作用，并且部分學(xué)者認(rèn)為，在目前已知的植物激素中，細(xì)胞分裂素是影響植物氮代謝活動(dòng)最顯著的激素。因此，細(xì)胞分裂素與氮素之間聯(lián)系緊密，尤其在參與氮素調(diào)控植物側(cè)枝形成和發(fā)育方面，細(xì)胞分裂素具有不可替代的作用。

細(xì)胞分裂素是氮素調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的重要因子。細(xì)胞分裂素不僅對(duì)植物氮素的吸收、分布、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化等過(guò)程具有重要意義，而且也利于提高植物的氮素利用效率。在影響植物對(duì)氮素的吸收方面，細(xì)胞分裂素顯著作用于植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，進(jìn)而影響根系吸收土壤中的氮素，WERNER 等對(duì)煙草的研究表明，細(xì)胞分裂素對(duì)煙草的根部細(xì)胞分裂能力具有抑制作用，使得根部普遍較小，從而不利于根系的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致煙草吸收的氮素減少，而

AtCKX1

基因過(guò)量表達(dá)的突變體植株根系顯著大于野生型植株，能夠較好的吸收土壤中的氮素。也有相關(guān)研究認(rèn)為，細(xì)胞分裂素作用于根系中氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)來(lái)調(diào)控氮素的吸收，比如，利用反饋?zhàn)饔玫恼{(diào)節(jié)機(jī)制，細(xì)胞分裂素可以通過(guò)充當(dāng)?shù)仫柡托盘?hào)來(lái)抑制

AtNRT1.1

、

AtNRT1.5

、

AtNRT2.1

、

At-NRT2.2

和幾種

AtAMT

等主要氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)，減少根系對(duì)氮素的吸收，但

AtNRT1.3

基因的表達(dá)增強(qiáng)，有利于植物體內(nèi)氮素的分布和轉(zhuǎn)運(yùn)。除了影響氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因的表達(dá)來(lái)抑制氮素的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)外，細(xì)胞分裂素還能利用其AHK3和AHK4受體氮素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的合成進(jìn)行調(diào)控，導(dǎo)致植物吸收的氮素減少。根系中合成的細(xì)胞分裂素也對(duì)氮素在植物體內(nèi)的分布存在一定的影響，主要表現(xiàn)在細(xì)胞分裂素能夠調(diào)控氮素在植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)運(yùn)。誘導(dǎo)植物體內(nèi)養(yǎng)分的運(yùn)輸是細(xì)胞分裂素作用于植物的重要機(jī)制，該機(jī)制具體表現(xiàn)為細(xì)胞分裂素誘導(dǎo)植物體內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向葉片運(yùn)輸并積累或者是經(jīng)細(xì)胞分裂素處理過(guò)的部位，從而影響氮素在植物體內(nèi)的分布。此外，大量研究表明，細(xì)胞分裂素和氮素在植物體內(nèi)具有相似的運(yùn)輸途徑，植物體內(nèi)氮素的分布和轉(zhuǎn)運(yùn)會(huì)隨著細(xì)胞分裂素的運(yùn)輸而發(fā)生改變，植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素大部分由根系合成后，通過(guò)木質(zhì)部和韌皮部等途徑運(yùn)輸?shù)街参锲渌鞴?，在?xì)胞分裂素運(yùn)輸過(guò)程中，根系從土壤中吸收的氮素也被運(yùn)輸?shù)降厣喜糠郑貏e是莖葉等器官，促進(jìn)葉片和側(cè)枝的生長(zhǎng)發(fā)育。也有研究者認(rèn)為，受光照條件和蒸騰作用的影響，細(xì)胞分裂素趨向于植物中光照較好的上層葉片運(yùn)輸，從而調(diào)控氮素在地上部分的分布，導(dǎo)致基部葉片的氮素含量明顯少于頂層葉片，影響植物各部分的氮素分配比例。因此，細(xì)胞分裂素對(duì)于氮素的分布和轉(zhuǎn)運(yùn)具有積極的推動(dòng)作用，有利于提高植物的氮素利用效率。在細(xì)胞分裂素調(diào)控氮代謝的過(guò)程中，細(xì)胞分裂素能夠增強(qiáng)

ASH

、

NII

、

NIA

、

GDH

等與氮代謝過(guò)程密切相關(guān)的基因表達(dá)，氮代謝酶的活性得到進(jìn)一步激活，使得植物能夠高效利用土壤中的氮素，促進(jìn)葉綠素、核酸、蛋白質(zhì)等重要物質(zhì)的合成，植物光合能力顯著提高，加速植物體內(nèi)生物量的生成和積累，不僅有利于植物側(cè)枝形成和發(fā)育，也對(duì)植物各時(shí)期的生長(zhǎng)發(fā)育均有重要意義。同樣，氮素也是植物內(nèi)源細(xì)胞分裂素的關(guān)鍵調(diào)控物質(zhì)，是影響相關(guān)細(xì)胞分裂素基因表達(dá)的信號(hào)分子。通常情況下，氮素含量過(guò)低會(huì)促進(jìn)一些CKX 相關(guān)基因的表達(dá)，加速細(xì)胞分裂素的降解，使植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素水平下降，影響植物分枝；高氮環(huán)境則有利于IPT 相關(guān)基因的表達(dá)增強(qiáng)，增加細(xì)胞分裂素含量，從而調(diào)節(jié)植物的生命活動(dòng)。關(guān)于平邑甜茶的研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)幼苗施加氮肥可以增強(qiáng)其體內(nèi)細(xì)胞分裂素合成基因

MhIPT3

的表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞分裂素含量提高。另外，氮素促進(jìn)細(xì)胞分裂素合成基因

IPT3

的表達(dá)也在擬南芥的相關(guān)研究中得到證實(shí)。氮素作為細(xì)胞分裂素的重要組成元素，其在植物體內(nèi)的水平與細(xì)胞分裂素水平密切相關(guān)。之前的研究表明，植物在氮素充足條件下根系合成的細(xì)胞分裂素總量高于氮素缺乏時(shí)的合成總量。氮素形態(tài)對(duì)植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素的調(diào)控也具有明顯的差異。在實(shí)踐生產(chǎn)過(guò)程中，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是影響細(xì)胞分裂素水平最常見(jiàn)的兩種氮素形態(tài)。一般研究認(rèn)為，硝態(tài)氮促進(jìn)細(xì)胞分裂素在植物體內(nèi)合成，并且提高細(xì)胞分裂素的活性和運(yùn)輸速率；供應(yīng)的氮素為銨態(tài)氮時(shí)，會(huì)抑制細(xì)胞分裂素從根系向地上部分運(yùn)輸和降低細(xì)胞分裂素含量，但硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對(duì)植物混合施用，有利于根系產(chǎn)生更多的細(xì)胞分裂素，加快根系中合成的細(xì)胞分裂素運(yùn)輸?shù)街参锔鞑糠?，便于協(xié)調(diào)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在植物體內(nèi)的分配。在煙草上的研究表明，施加硝態(tài)氮后，煙草中的tZ和tZR 含量顯著增加，并且加快了tZ-CTK 在植物體內(nèi)的運(yùn)輸，促進(jìn)煙草葉片的生長(zhǎng)；而銨態(tài)氮處理煙草時(shí)則不利于葉片中的tZ和tZR的合成，導(dǎo)致葉片細(xì)胞數(shù)目和大小均不如處理前，影響葉片的正常生長(zhǎng)發(fā)育。在番茄的試驗(yàn)中也得出了類(lèi)似的結(jié)果。此外，TAKEI 等也發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮在調(diào)控碳氮代謝的同時(shí)，能夠誘導(dǎo)細(xì)胞分裂素等激素參與植物體內(nèi)的氮代謝，但玉米中能夠響應(yīng)細(xì)胞分裂素的

ZmRR1

基因表達(dá)可能受硝態(tài)氮和銨態(tài)氮兩種氮素形態(tài)的調(diào)控。

總之，植物側(cè)枝萌發(fā)需要細(xì)胞分裂素的激活，氮素提供給側(cè)枝進(jìn)一步生長(zhǎng)發(fā)育的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)胞分裂素和氮素對(duì)植物側(cè)枝形成和發(fā)育都具有顯著的作用效果，兩條途徑共同參與植物側(cè)枝形成和發(fā)育的調(diào)控，但兩者之間的互作作用對(duì)植物側(cè)枝形成和發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)和作用機(jī)制尚不明確，需要進(jìn)一步的研究。

6 問(wèn)題與展望

對(duì)于細(xì)胞分裂素和氮素影響植物側(cè)枝形成和發(fā)育的研究近年來(lái)有較多報(bào)道，并且兩種物質(zhì)單獨(dú)作用于植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控機(jī)制已經(jīng)較為清楚。然而，細(xì)胞分裂素和氮素的互作作用影響植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究雖有一定進(jìn)展，但多集中于擬南芥、番茄等模式植物和水稻、小麥等農(nóng)作物中，在林木上開(kāi)展的研究較少。另外，細(xì)胞分裂素和氮素共同作用于植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)十分復(fù)雜，特別是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，如何在施加細(xì)胞分裂素的情況下，提高氮素利用效率，實(shí)現(xiàn)氮肥的高效利用，是十分關(guān)鍵的栽培手段，對(duì)實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)具有重要意義。

因此，在后續(xù)研究的開(kāi)展過(guò)程中，應(yīng)該加強(qiáng)細(xì)胞分裂素和氮素共同參與調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的相關(guān)研究，尤其是在林木方面。在研究?jī)?nèi)容上，除了影響側(cè)枝形成和發(fā)育方面外，開(kāi)展兩者對(duì)于植物其他生長(zhǎng)指標(biāo)和生理代謝活動(dòng)的作用也十分必要。并且在當(dāng)前研究的基礎(chǔ)上，可以結(jié)合分子技術(shù)手段等從基因方面探究細(xì)胞分裂素和氮素調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的作用機(jī)制，明確調(diào)控路徑上關(guān)鍵基因和代謝酶的功能，構(gòu)建兩者的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。