張 標(biāo) ，朱瑩瑩，孫光軍，劉海偉

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 煙草研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部煙草生物學(xué)與加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266101；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.中國(guó)煙草總公司 貴州省公司，貴州 貴陽(yáng) 550004）

植物根系可以選擇性地從土壤環(huán)境中攝取水分和礦質(zhì)養(yǎng)分，是植物從土壤中吸收養(yǎng)分的重要器官，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用。植物根系可以通過調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)土壤復(fù)雜多變的環(huán)境[1]，如干旱、澇漬，以及養(yǎng)分脅迫等，甚至與微生物的相互作用密切相關(guān)[2-4]。植物根系吸收的水分和礦質(zhì)養(yǎng)分向中柱的徑向運(yùn)輸主要包括3 條途徑，分別是通過相鄰細(xì)胞細(xì)胞間隙自由擴(kuò)散的質(zhì)外體運(yùn)輸途徑、通過相鄰細(xì)胞胞間連絲的共質(zhì)體運(yùn)輸途徑，以及通過細(xì)胞膜上的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白介導(dǎo)的跨細(xì)胞運(yùn)輸途徑[5]。植物根系吸收的水分和養(yǎng)分需穿過所有細(xì)胞層才能到達(dá)根中央維管系統(tǒng)，并通過木質(zhì)部導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)降厣喜?，以供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需[6-8]。

根內(nèi)皮層是根部細(xì)胞層最內(nèi)層的細(xì)胞層，是控制植物對(duì)水分和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的關(guān)鍵細(xì)胞層。在很多物種中，內(nèi)皮層被人們認(rèn)為是水分和養(yǎng)分通過徑向運(yùn)輸至植物根維管系統(tǒng)的基本屏障[9]。研究表明，植物對(duì)水分和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的過程中，根內(nèi)皮層在發(fā)揮著核心作用。因?yàn)楦鶅?nèi)皮層在發(fā)育過程中形成了對(duì)水分和礦質(zhì)養(yǎng)分吸收的屏障，從而可以有選擇性地從土壤中攝取水分和礦質(zhì)養(yǎng)分[10]。內(nèi)皮層的發(fā)育起始于根尖分生組織。在根分生組織中，皮層初始細(xì)胞的斜周分裂導(dǎo)致內(nèi)皮層的形成[10]，這個(gè)過程受到轉(zhuǎn)錄因子SHR（SHORTROOT）、SCR（SCARECROW），以及生長(zhǎng)素等途徑共同調(diào)控[11]，并且內(nèi)皮層細(xì)胞壁中充滿疏水聚合物，因此根內(nèi)皮層被認(rèn)為是水和溶質(zhì)從皮層向維管系統(tǒng)運(yùn)輸?shù)闹饕拗埔蛩豙12]。近年來，調(diào)控內(nèi)皮層分化的分子機(jī)制和內(nèi)皮層屏障在植物根部物質(zhì)運(yùn)輸中的關(guān)鍵作用是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)內(nèi)容。因此，本文就內(nèi)皮層分化、內(nèi)皮層屏障作用及其在應(yīng)對(duì)環(huán)境變化的可塑性展開綜述，以期為該領(lǐng)域的科研工作者提供有益的認(rèn)識(shí)和參考。

1 內(nèi)皮層分化

內(nèi)皮層細(xì)胞的形成靠近根分生組織的靜止中心，與皮層—內(nèi)皮層初始細(xì)胞的斜周分裂關(guān)系密切。這種分裂形成的內(nèi)皮層作為最內(nèi)層的皮質(zhì)細(xì)胞層，包圍著根的中央維管系統(tǒng)[13]。根據(jù)皮層細(xì)胞初生壁和次生壁未分化、出現(xiàn)不連續(xù)的凱氏帶和不完整的木栓層，以及連續(xù)的凱氏帶和完整的木栓層的先后順序，將內(nèi)皮層的發(fā)育分為未分化階段、分化階段Ⅰ和分化階段Ⅱ(圖1)。

根內(nèi)皮層處于分化階段Ⅰ時(shí)，此階段可形成凱氏帶，但不形成木栓層。隨著植物根系的發(fā)育，根內(nèi)皮層分化在階段Ⅰ向階段Ⅱ轉(zhuǎn)換過程中，木栓質(zhì)以零散的、類似“補(bǔ)丁”的形式在內(nèi)皮層細(xì)胞開始沉積[14]，在內(nèi)皮層細(xì)胞中可以觀察到“補(bǔ)丁狀”不完整的木栓層。最后，在完全木栓化的內(nèi)皮層細(xì)胞中，木栓質(zhì)覆蓋整個(gè)內(nèi)皮層細(xì)胞的表面。因此，在完全分化的內(nèi)皮層細(xì)胞中會(huì)形成由不同的聚合物組成的2 種結(jié)構(gòu)，即凱氏帶和木栓層（圖1）。

圖1 內(nèi)皮層分化示意圖（改自Barberon and Geldner,2014）[15]

1.1 凱氏帶

凱氏帶主要由疏水的木質(zhì)素聚合物組成，是位于相鄰內(nèi)皮層細(xì)胞之間細(xì)胞壁上的木質(zhì)化結(jié)構(gòu)[10]。這種疏水聚合物通過嵌入內(nèi)皮層細(xì)胞壁從而封閉了相鄰內(nèi)皮層細(xì)胞間的細(xì)胞間隙，在根內(nèi)皮層細(xì)胞中起著質(zhì)外體擴(kuò)散屏障的作用[16-17]。

在過去相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們提出木栓質(zhì)是凱氏帶的主要成分，但是現(xiàn)在這種說法已經(jīng)被推翻。有研究指出，凱氏帶實(shí)際上是主要以木質(zhì)素為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)[14]。這一見解使我們能夠清楚地定義由不同聚合物組成的2 種擴(kuò)散屏障結(jié)構(gòu)，即基于木質(zhì)素沉積形成的凱氏帶以及相繼形成的由木栓質(zhì)沉積組成的次生壁結(jié)構(gòu)木栓層[14]。

對(duì)擬南芥(Arabidopsis thaliana)的研究表明，內(nèi)皮層從未分化階段向分化階段Ⅰ狀態(tài)轉(zhuǎn)變主要是由轉(zhuǎn)錄因子MYB36 驅(qū)動(dòng)的[18]，MYB36 直接調(diào)控與凱氏帶形成的相關(guān)基因如凱氏帶結(jié)構(gòu)域蛋白（CASP）、過氧化物酶（PER64），以及類滲透蛋白（ESB1）的正向表達(dá)。在相應(yīng)的MYB36 缺失突變體的研究中并未定位到凱氏帶，相反，而是觀察到木栓質(zhì)的異位沉積，且木栓質(zhì)沉積更靠近根尖分生組織以響應(yīng)凱氏帶的缺失[18]。對(duì)MYB36 功能缺失突變體的研究中發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)化的喪失導(dǎo)致內(nèi)皮層透性增加，從而導(dǎo)致礦質(zhì)養(yǎng)分的動(dòng)態(tài)平衡被破壞[19]。這些證據(jù)直觀表明了MYB36 在凱氏帶形成過程中的決定性作用。植物根系吸收的水分和養(yǎng)分一旦到達(dá)內(nèi)皮層，凱氏帶就會(huì)封閉質(zhì)外體，迫使養(yǎng)分運(yùn)輸通過共質(zhì)體途徑運(yùn)輸以保護(hù)維管系統(tǒng)免受營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的外流和病原菌的入侵[20]。

1.2 木栓層

內(nèi)皮層分化階段Ⅱ的特征是木栓層的形成，這是以木栓質(zhì)為基礎(chǔ)沉積在次生壁的次生細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)，隨著植物根系的發(fā)育，最終形成完整的木栓層覆蓋整個(gè)內(nèi)皮層細(xì)胞表面。木栓質(zhì)是由多種單體組成的復(fù)雜的生物聚合物，其沉積對(duì)環(huán)境具有高度響應(yīng)性[21]。木栓質(zhì)在控制水和溶質(zhì)運(yùn)輸方面的作用主要依賴于其脂肪族結(jié)構(gòu)，脂肪族木栓質(zhì)結(jié)構(gòu)域的典型單體是ω-羥基酸、α,ω-二元酸、脂肪酸和醇等，甘油被酯化為ω-羥基酸、α,ω-二元酸，這些單體通過質(zhì)膜運(yùn)輸，最終組裝成質(zhì)外體中的木栓質(zhì)聚合物[21,22]。

木栓質(zhì)的沉積可能與轉(zhuǎn)錄因子MYB41 有關(guān)。有研究表明，MYB41 的異位表達(dá)會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)皮層木栓化，但是它在內(nèi)皮層發(fā)育中的確切作用目前尚不清楚[23]。木栓質(zhì)的生物合成涉及多種酶，主要包括3-磷酸甘油酰基轉(zhuǎn)移酶（GPAT）家族、細(xì)胞色素P450單加氧酶（CYP）家族、脂肪?；€原酶（FAR）、羥基肉桂輔酶A 轉(zhuǎn)移酶（ASFT），以及β-酮酯酰-輔酶A合成酶（KCS）等[24]。雖然學(xué)者們對(duì)木栓質(zhì)的單體組成研究已有幾十年，但目前關(guān)于木栓質(zhì)的生物合成的許多過程仍不是很清楚[25]。

2 內(nèi)皮層屏障

研究指出，根內(nèi)皮層細(xì)胞在發(fā)育過程中會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)特殊的分化階段，分別形成凱氏帶和木栓層兩種重要的擴(kuò)散屏障（圖2），二者能夠選擇性的控制水分以及養(yǎng)分等進(jìn)入根部細(xì)胞，在控制和調(diào)節(jié)水分和養(yǎng)分的獲取和流失方面起著重要作用[7,10,16]。

圖2 凱氏帶和木栓層在限制離子通過內(nèi)皮層運(yùn)輸方面的作用示意圖(改自Geldner,2013)[26]

2.1 凱氏帶屏障作用

基于細(xì)胞壁的擴(kuò)散屏障的形成在植物中建立有效的運(yùn)輸途徑在植物吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的過程中起著至關(guān)重要的作用。最典型的例子是根內(nèi)皮層中作為質(zhì)外體屏障的凱氏帶的建立[27]（圖2-A）。凱氏帶類似于生理“柵欄”，在大多數(shù)的根中，水分和養(yǎng)分從根的皮層到木質(zhì)部的質(zhì)外體途徑運(yùn)輸被凱氏帶阻斷[28-29]，同時(shí)有利于防止有毒物質(zhì)進(jìn)入植物體[30]。例如，Cd被認(rèn)為優(yōu)先通過質(zhì)外體途徑向木質(zhì)部維管系統(tǒng)運(yùn)輸，根內(nèi)皮層細(xì)胞木質(zhì)化形成的凱氏帶有利于限制這種重金屬通過質(zhì)外體途徑運(yùn)輸，從而減少根和地上部對(duì)其的吸收和積累[31]。

在玉米（Zea mays）的一項(xiàng)研究中顯示，ZmSTL1基因編碼定位于凱氏帶結(jié)構(gòu)域的重要轉(zhuǎn)錄蛋白家族ZmESBL，它通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮層凱氏帶結(jié)構(gòu)域的木質(zhì)素沉積來調(diào)節(jié)內(nèi)皮層凱氏帶的形成。ZmESBL 的缺失直接導(dǎo)致內(nèi)皮層凱氏帶結(jié)構(gòu)域的木質(zhì)素沉積受損，從而導(dǎo)致凱氏帶的形成被破壞。缺乏ZmESBL的突變體表現(xiàn)出凱氏帶結(jié)構(gòu)域木質(zhì)素沉積受損，導(dǎo)致凱氏帶屏障缺陷，在鹽脅迫下表現(xiàn)為顯著增加了Na＋通過質(zhì)外體途徑的運(yùn)輸，進(jìn)而增加了Na＋通過蒸騰流從根到地上部的運(yùn)輸，從而導(dǎo)致植株表現(xiàn)為鹽敏感型[32]。該研究還發(fā)現(xiàn)ZmESBL 的同源基因ESBL也參與了擬南芥凱氏帶的發(fā)育及其耐鹽性的調(diào)節(jié)，揭示了基于木質(zhì)素的凱氏帶顯著抑制了植株地上部對(duì)Na＋的積累，并且顯著提高了植株在高蒸騰環(huán)境條件下的耐鹽性。

2.2 木栓層屏障作用

木栓層作為繼凱氏帶形成之后的另一個(gè)重要的屏障，阻斷了養(yǎng)分的跨細(xì)胞運(yùn)輸途徑，也標(biāo)志著內(nèi)皮層細(xì)胞完全分化，此時(shí)養(yǎng)分的運(yùn)輸只能通過共質(zhì)體途徑進(jìn)行（圖2-B）。木栓質(zhì)作為內(nèi)皮層屏障的疏水性成分，在非生物脅迫以及生物脅迫下減輕對(duì)植物的傷害起著關(guān)鍵作用[3,33-34]。在非生物脅迫的背景下，木栓質(zhì)的功能得到了廣泛的研究[21,35-39]。

木栓質(zhì)含量的改變可能對(duì)植物的生理及生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生重大的影響。例如，在擬南芥的研究中，對(duì)木栓化增強(qiáng)型突變體esb1 的具體分析不僅為木栓質(zhì)在水分和溶質(zhì)的運(yùn)輸中起到的作用提供了確鑿的證據(jù)，而且還表明根中更高的木栓質(zhì)含量對(duì)整個(gè)植物生理功能的影響，如減少干旱脅迫下的植株失水、枯萎，以及不同的地上部離子組成等[6]。

值得一提的是，根內(nèi)皮層細(xì)胞中的質(zhì)外體屏障并不能完全阻斷水和溶質(zhì)向中柱的運(yùn)輸。因?yàn)閮?nèi)皮層中部分細(xì)胞并沒有木栓化，這些細(xì)胞被人們稱為“通道細(xì)胞”（圖1），它們?yōu)樗腿苜|(zhì)的運(yùn)輸提供了新的通道[40]。有研究指出，通道細(xì)胞的形成可能與細(xì)胞分裂素(Cytokinin,CTK)有關(guān)[41]。因此，內(nèi)皮層中的質(zhì)外體屏障并不是完美的屏障[5]。

植物在其生長(zhǎng)發(fā)育過程中會(huì)進(jìn)化出多種適應(yīng)機(jī)制來響應(yīng)環(huán)境的變化，如轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白就是根系調(diào)節(jié)物質(zhì)吸收的重要機(jī)制，但在細(xì)胞間非特異性的質(zhì)外體運(yùn)輸途徑中的物質(zhì)吸收調(diào)節(jié)也不容忽視。根內(nèi)皮層中的凱氏帶和木栓層作為質(zhì)外體屏障是調(diào)控質(zhì)外體運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵機(jī)制，在控制物質(zhì)的流入、流出，以及抵御病原菌入侵等方面起著重要作用[16]。

3 內(nèi)皮層分化的可塑性

雖然植物在正常生長(zhǎng)發(fā)育過程中根內(nèi)皮層會(huì)經(jīng)歷正常的分化階段，但從實(shí)際情況來看，植物在生長(zhǎng)發(fā)育過程中難免會(huì)遭受各種逆境脅迫，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致內(nèi)皮層細(xì)胞早期分化或延遲分化（圖3-A），這種生理機(jī)制是植物為適應(yīng)環(huán)境變化而形成的一種自我保護(hù)機(jī)制。因此，內(nèi)皮層的發(fā)育進(jìn)程受到廣泛的非生物脅迫和生物脅迫的影響，這種影響使得內(nèi)皮層細(xì)胞的分化具有高度的可塑性，并且這種可塑性可以最大限度地減輕各種脅迫對(duì)植物的傷害作用。

圖3 內(nèi)皮層分化的可塑性示意圖(改自Barberon,2017)[10]

3.1 環(huán)境脅迫對(duì)內(nèi)皮層分化的影響

諸多的環(huán)境脅迫，如鹽分、干旱，以及缺氧等脅迫下均會(huì)誘導(dǎo)凱氏帶的早期發(fā)育、木栓質(zhì)的合成，及其在內(nèi)皮層中的沉積增加[42-47]。以干旱脅迫為例，Grunhofer 等[48]對(duì)楊樹（Populus）進(jìn)行模擬干旱脅迫處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其根系發(fā)育表現(xiàn)出高度的一致性。具體表現(xiàn)為典型的凱氏帶早期發(fā)育和隨后的內(nèi)皮層木栓化程度不斷增加，根尖部分的根系導(dǎo)水率比其他區(qū)域高得多。分析表明，根基部的木栓質(zhì)沉積增加導(dǎo)致根系導(dǎo)水率顯著降低[48-49]。在大麥（Hordeum vulgare）的研究中也有類似的發(fā)現(xiàn)，通過PEG8000 處理模擬不同滲透勢(shì)的水分虧缺顯著上調(diào)了根中木栓質(zhì)生物合成基因的表達(dá)，導(dǎo)致內(nèi)皮層木栓化增加，并顯著降低了質(zhì)外體途徑的根系導(dǎo)水率，防止水分從根內(nèi)部向外的回流散失導(dǎo)致失水[50]。對(duì)水稻（Oryza sativa）的研究表明，干旱脅迫下顯著增加了內(nèi)皮層細(xì)胞的大小和厚度，并且導(dǎo)致木栓質(zhì)更多的在內(nèi)皮層積累，內(nèi)皮層木質(zhì)化和木栓化增加[51]。從本質(zhì)上來說，增強(qiáng)的木質(zhì)化和木栓化的作用是在干旱期間保存根維管系統(tǒng)中的水分，以保護(hù)根不會(huì)在水分虧缺下死亡[51]。在葡萄（Vitis vinifera）的研究中也有同樣的結(jié)論，即干旱脅迫下，木栓質(zhì)生物合成相關(guān)基因MYB41 的表達(dá)上調(diào)，導(dǎo)致木栓質(zhì)沉積增加以響應(yīng)水分虧缺[34]。因此，這些環(huán)境脅迫因素可以直接影響內(nèi)皮層的發(fā)育進(jìn)程，表現(xiàn)為促進(jìn)內(nèi)皮層分化，而更早的形成內(nèi)皮層屏障可以減輕逆境脅迫對(duì)植物的傷害。

通過對(duì)植物受鹽分脅迫的深入研究發(fā)現(xiàn)，鹽分脅迫會(huì)影響根中凱氏帶的寬度，并在多種植物中誘導(dǎo)內(nèi)皮層細(xì)胞的木栓化[52]。在水稻的幾項(xiàng)研究中發(fā)現(xiàn)，鹽分通過根的徑向運(yùn)輸受到凱氏帶和木栓層的限制[42-43,53]；在滲透脅迫下水稻根內(nèi)皮層木質(zhì)化和木栓化程度增加，并且減少了根內(nèi)部組織的失水[54]；水稻根內(nèi)皮層分化形成的質(zhì)外體屏障在其適應(yīng)受澇條件、防止徑向氧氣的損失等方面起著至關(guān)重要的作用[55]，這些研究為內(nèi)皮層的屏障作用提供了直接的證據(jù)。

有研究表明，擬南芥在鹽分脅迫下，木栓質(zhì)通過限制Na＋的內(nèi)流、K＋的外流，以及水分向介質(zhì)中的回流來增強(qiáng)植株的耐鹽性[33]。在干旱、鹽分或其他非生物脅迫下，木栓質(zhì)在根內(nèi)皮層細(xì)胞壁中的沉積也會(huì)發(fā)生變化，以防止水分和養(yǎng)分的流失、增強(qiáng)根的保水能力。例如，對(duì)擬南芥的研究發(fā)現(xiàn)，在干旱和鹽分脅迫下，木栓質(zhì)含量及其沉積形成的木栓層在減少水分損失和減少根對(duì)Na＋的吸收方面起著關(guān)鍵作用[56]。木栓質(zhì)還會(huì)影響植物對(duì)礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸，進(jìn)而影響到營(yíng)養(yǎng)的有效性，起到水分和養(yǎng)分?jǐn)U散屏障的作用[16]。木栓質(zhì)在根中的產(chǎn)生和沉積對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理、與微生物的協(xié)調(diào)作用，以及各種脅迫適應(yīng)具有顯著的影響，并且在土壤有機(jī)質(zhì)周轉(zhuǎn)、土壤化學(xué)組分、水分，以及其他與微生物群落相關(guān)的因素方面具有潛在的生態(tài)影響[57]。

3.2 礦質(zhì)元素對(duì)內(nèi)皮層分化的影響

礦質(zhì)元素在影響植物根內(nèi)皮層分化過程中起著重要作用。一些必需營(yíng)養(yǎng)元素如氮（N）、磷（P）、鉀（K）或硫（S）的缺乏同樣影響根部?jī)?nèi)皮層的分化[16]。Armand 等[58]對(duì)大麥的研究表明，低N 和低P 供應(yīng)不僅會(huì)導(dǎo)致主根凱氏帶和木栓層的形成顯著增加，而且還會(huì)導(dǎo)致側(cè)根的凱氏帶和木栓層的形成顯著增加。這與Li 等[59]研究結(jié)果一致。在低N 和低P 處理下質(zhì)外體屏障形成增加，尤其是木栓層形成增加導(dǎo)致了根系導(dǎo)水率顯著降低。當(dāng)重新加入營(yíng)養(yǎng)充足的基質(zhì)后，低N 和低P 處理的植株根系導(dǎo)水率迅速恢復(fù)。這可能表明，營(yíng)養(yǎng)脅迫下質(zhì)外體屏障的形成導(dǎo)致根系導(dǎo)水率的降低在一定程度上是可逆的[16,58]。深入分析表明，增加的凱氏帶和木栓層不僅能控制植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，而且可以阻止水分和養(yǎng)分的流失，水分和養(yǎng)分得以保留在植物體內(nèi)以供植物生長(zhǎng)發(fā)育所需，彰顯出內(nèi)皮層屏障作為雙向屏障的重要作用[10,58]。但之前在水稻的一項(xiàng)研究中顯示，在低濃度銨態(tài)氮肥供應(yīng)條件下，木質(zhì)素和木栓質(zhì)的沉積較少，根系導(dǎo)水率和溶質(zhì)滲透率與對(duì)照相比更大，而在高濃度銨態(tài)氮肥供應(yīng)條件下生長(zhǎng)的植株則相反[60]。這種差異可能與植物種類差異以及自身遺傳因素有關(guān)。

另外，Siqueira-Silva 等[61]在研究去除根尖內(nèi)皮層的質(zhì)外體屏障對(duì)植物吸收鐵（Fe）的過程中發(fā)現(xiàn)，植株地上部積累了更多的Fe，增加了Fe 的毒性效應(yīng)，直接證明了根內(nèi)皮層屏障在限制Fe 從根部到地上部分的運(yùn)輸方面所起的重要作用。

重金屬Cd 脅迫可誘導(dǎo)小麥（Triticum aestivum）、水稻等作物的根內(nèi)皮層質(zhì)外體屏障早期發(fā)育，并且Cd 處理濃度越大，質(zhì)外體屏障發(fā)育越強(qiáng)，凱氏帶和木栓層的發(fā)育更靠近根尖。這可以減少小麥、水稻等作物的根對(duì)Cd 的吸收和向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)積累[62-63]。近幾年人們發(fā)現(xiàn)，工程納米顆粒物對(duì)環(huán)境的污染日益嚴(yán)重。對(duì)玉米的研究發(fā)現(xiàn)，氧化鈰（CeO2）納米顆粒物與Cd 處理均會(huì)導(dǎo)致根尖附近質(zhì)外體屏障發(fā)育的增加，與對(duì)照相比，CeO2納米顆粒物與Cd 處理?xiàng)l件下質(zhì)外體屏障形成更靠近根尖[64]。相似的研究如在氧化鑭（La2O3）納米顆粒物處理下會(huì)促進(jìn)與木質(zhì)素合成相關(guān)基因表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)玉米幼根質(zhì)外體屏障早期發(fā)育，并降低玉米根系導(dǎo)水率[65]。Liska 等[66]在對(duì)玉米的根進(jìn)行單側(cè)干旱脅迫和單側(cè)Cd 脅迫的研究中發(fā)現(xiàn)，單側(cè)干旱脅迫以及Cd 脅迫會(huì)誘導(dǎo)根內(nèi)皮層中凱氏帶和木栓層的早期發(fā)育及不對(duì)稱發(fā)育。其結(jié)果表明，植物受到脅迫之時(shí)內(nèi)皮層屏障在保護(hù)維管系統(tǒng)以及在控制水和離子向地上部運(yùn)輸中的重要作用。

另外，一些研究表明，一些微量元素，如鈣（Ca）、硅（Si）等，可能與Cd2＋或Na＋之間存在相互作用，在Cd 或鹽脅迫下外源添加Ca 或Si 會(huì)影響內(nèi)皮層的分化。例如，在研究Ca 含量對(duì)東南景天（Sedum alfredii）吸收Cd 的影響中發(fā)現(xiàn)Ca 作為常量元素與根內(nèi)皮層中凱氏帶的形成和木栓質(zhì)的沉積有關(guān)。在低Ca 供應(yīng)條件下會(huì)誘導(dǎo)根內(nèi)皮層質(zhì)外體屏障發(fā)育延緩，從而促進(jìn)東南景天對(duì)Cd 的吸收和積累。分析表明，低Ca 供應(yīng)條件下，木質(zhì)素和木栓質(zhì)合成相關(guān)基因的表達(dá)降低，延緩了內(nèi)皮層中木質(zhì)素和木栓質(zhì)的形成與沉積，從而延緩了質(zhì)外體屏障的形成和發(fā)育。而高Ca 供應(yīng)條件下質(zhì)外體屏障作用增強(qiáng)，說明Ca 含量與根內(nèi)皮層中凱氏帶和木栓層的發(fā)育呈正相關(guān)[67]。Si 可以通過誘導(dǎo)內(nèi)皮層質(zhì)外體屏障的形成增加減少了鹽脅迫下水稻幼苗對(duì)Na＋的吸收[68]。在重金屬Cd 脅迫下，添加Si 顯著增加了水稻[69]和小麥[70]根內(nèi)皮層木栓化，從而降低了通過質(zhì)外體途徑對(duì)Cd的吸收。然而，另有研究表明，滲透脅迫可以促進(jìn)大麥根內(nèi)皮層木栓化，但在滲透脅迫下添加Si 并不能促進(jìn)大麥根內(nèi)皮層木栓化。滲透脅迫下Si 處理后植株抗性增強(qiáng)是由其他因素引起的[71]。因此，有學(xué)者認(rèn)為Si 對(duì)內(nèi)皮層分化和質(zhì)外體屏障發(fā)育的潛在影響仍存在爭(zhēng)議[71]。因此，從某種程度上來說，在重金屬、鹽分或其他脅迫下，內(nèi)皮層發(fā)育進(jìn)程被改變是因?yàn)镃a 或Si 與Cd 或Na 之間存在一定的相互作用，從而影響環(huán)境脅迫下內(nèi)皮層的分化。

3.3 植物激素對(duì)內(nèi)皮層分化的影響

Barberon 等[16]發(fā)現(xiàn)，在很多營(yíng)養(yǎng)脅迫條件下，根內(nèi)皮層木栓化是高度可塑的，這些營(yíng)養(yǎng)脅迫通過植物激素脫落酸（abscisic acid,ABA）和乙烯（ethylene）對(duì)木栓質(zhì)沉積產(chǎn)生影響，并且ABA 和乙烯在影響內(nèi)皮層分化方面起到拮抗作用（圖3-B）。ABA 通過增加苯丙氨酸解氨酶、過氧化物酶的活性，以及木栓質(zhì)相關(guān)基因的表達(dá)來調(diào)控質(zhì)外體屏障的發(fā)育[72]。在Cd脅迫下，非超積累生態(tài)型植物東南景天內(nèi)源ABA 水平由于ABA 生物合成基因的表達(dá)上調(diào)而增加，而超積累生態(tài)型植物中內(nèi)源ABA 水平并無變化。同時(shí)，非超積累生態(tài)型植物內(nèi)皮層中凱氏帶和木栓層的發(fā)育比超積累生態(tài)型植物更靠近根尖[73]。研究表明，乙烯是影響質(zhì)外體屏障形成的另一種重要激素。高水平的外源乙烯應(yīng)用會(huì)推遲超積累生態(tài)型東南景天質(zhì)外體屏障的形成[74]，促進(jìn)其對(duì)Cd 的吸收。但一項(xiàng)最新的研究發(fā)現(xiàn)，乙烯信號(hào)對(duì)Cd 的響應(yīng)促進(jìn)了質(zhì)外體屏障的形成，并減少了Cd 通過質(zhì)外體旁流的運(yùn)輸[75]。研究結(jié)果不同的原因可能是植物種類的不同以及不同的原因乙烯濃度的影響。同時(shí)有研究指出，有機(jī)酸會(huì)影響根內(nèi)皮層分化。Shakirova 等[76]發(fā)現(xiàn)，外源添加水楊酸能激活木質(zhì)素合成的關(guān)鍵酶苯丙氨酸解氨酶，水楊酸處理的小麥幼苗促進(jìn)了根內(nèi)皮層細(xì)胞壁的木質(zhì)化，木質(zhì)素在根細(xì)胞壁的沉積增加，加強(qiáng)了質(zhì)外體屏障性能。

另有研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌的有機(jī)酸會(huì)提高與木質(zhì)素和木栓質(zhì)生物合成相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平。為驗(yàn)證這一觀點(diǎn)，Colmer 等[77]研究了4 種濃度較低、不會(huì)對(duì)根系產(chǎn)生毒害作用的有機(jī)酸對(duì)水稻根部徑向氧氣損失的屏障建立的影響。結(jié)果表明，這些有機(jī)酸可以誘導(dǎo)根部建立阻止徑向氧氣損失的屏障，且這種屏障的主要成分是木栓質(zhì)。

3.4 生物脅迫對(duì)內(nèi)皮層分化的影響

除非生物脅迫外，在包括病原菌、線蟲等在內(nèi)的生物脅迫也會(huì)影響內(nèi)皮層的分化，導(dǎo)致木栓質(zhì)沉積增加，以減輕有害生物對(duì)植物的危害[78-80]。根際微生物群落與內(nèi)皮層之間的聯(lián)系在近2 年才開始被研究。Salas-Gonzalez 等[4]在擬南芥的研究中發(fā)現(xiàn)，根際微生物群落與內(nèi)皮層的協(xié)調(diào)作用可以維持植物體內(nèi)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的動(dòng)態(tài)平衡。控制根內(nèi)皮層分化的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)也影響植物根際微生物群落的組成；植物根際微生物群落中的個(gè)別成員控制根內(nèi)皮層發(fā)育，特別是對(duì)木栓質(zhì)沉積的影響，從而影響到植物地上部的離子組成以及在非生物脅迫或生物脅迫下植物的耐性。這一研究開辟了內(nèi)皮層與根際微生物群落存在互作關(guān)系的先河，將會(huì)是未來的研究熱點(diǎn)。但是目前仍然存在許多謎團(tuán)是我們未解開的。例如，轉(zhuǎn)錄因子MYB36、MYB41 是否影響根際微生物群落的活性，根際微生物群落與內(nèi)皮層之間互作的機(jī)制是怎樣的，還需要學(xué)者們通過更深層次的研究來確定。

另有最新研究顯示，在根際接種促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育的細(xì)菌如枯草芽孢桿菌、曼德式假單胞菌可以提高植物的抗鹽性[81]。接種細(xì)菌的植株在鹽脅迫下根內(nèi)皮層中的木質(zhì)素和木栓層的沉積加速?？莶菅挎邨U菌產(chǎn)生細(xì)胞分裂素（cytokinin,CTK），曼德式假單胞菌產(chǎn)生生長(zhǎng)素（auxin,IAA），在小麥根際接種這2 種細(xì)菌后，觀察到根內(nèi)皮層中凱氏帶的形成加快，并且在鹽脅迫下，植株體內(nèi)Na 的積累量顯著降低。接種此類根際細(xì)菌可以促進(jìn)內(nèi)皮層的分化，并且提高植物的抗鹽性。值得考慮的是，在植物根際接種細(xì)菌影響了內(nèi)皮層的發(fā)育進(jìn)程，究其本質(zhì)，是細(xì)菌本身對(duì)內(nèi)皮層分化的影響，還是其產(chǎn)生的激素對(duì)內(nèi)皮層分化的影響還需更深層次的研究來確定。

4 展望

雖然我們現(xiàn)在對(duì)于根內(nèi)皮層細(xì)胞的了解一直在穩(wěn)步增加，但是不得不承認(rèn)，我們對(duì)其發(fā)展和功能的了解仍十分有限。例如，凱氏帶被認(rèn)為是主要以木質(zhì)素為基礎(chǔ)的木質(zhì)化結(jié)構(gòu)，但到現(xiàn)在為止，凱氏帶的詳細(xì)組分仍存在爭(zhēng)議。而木栓層作為繼凱氏帶之后的另一個(gè)內(nèi)皮層屏障正受到越來越多的關(guān)注，但是對(duì)于木栓質(zhì)的生物合成、單體運(yùn)輸及組裝等方面的研究仍存在一些空白之處。在擬南芥凱氏帶缺陷突變體如sgn1 的研究中發(fā)現(xiàn)了木栓質(zhì)的異位沉積，并且這種異位木栓化是植物自主發(fā)生的。異位木栓化可能是植物遭受逆境脅迫時(shí)的一種自我保護(hù)機(jī)制，但是這種異位木栓化的具體調(diào)控機(jī)制目前尚不清楚。隨著遺傳學(xué)、分析化學(xué)，以及分子生物學(xué)等學(xué)科的不斷進(jìn)步發(fā)展，我們對(duì)根內(nèi)皮層分化的分子機(jī)制的認(rèn)識(shí)不斷提高，學(xué)者們已經(jīng)鑒定出多種與內(nèi)皮層分化相關(guān)的基因，并且研究對(duì)象也從之前的模式植物擬南芥逐漸向水稻、玉米等作物轉(zhuǎn)變。在過去的幾十年里，人們研究了廣泛的非生物脅迫對(duì)根內(nèi)皮層分化的影響，其研究成果將為育種工作者培育耐鹽、耐旱等新品種作物提供理論支撐。

前人的研究大多集中于非生物脅迫對(duì)根內(nèi)皮層分化的影響，即以非生物脅迫為手段觀察內(nèi)皮層的發(fā)育情況。但是對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育必需的大量營(yíng)養(yǎng)元素如N、P、K 對(duì)內(nèi)皮層分化的影響研究較少。而針對(duì)我國(guó)肥料利用率不高、過量施肥帶來的各種環(huán)境問題，根內(nèi)皮層是一個(gè)很好的切入點(diǎn)。內(nèi)皮層分化在營(yíng)養(yǎng)脅迫下的可塑性這一重大發(fā)現(xiàn)為我們研究植物對(duì)養(yǎng)分的高效吸收利用提供了全新的思路。因此，在未來對(duì)于內(nèi)皮層的研究重點(diǎn)應(yīng)該放在大量營(yíng)養(yǎng)元素與內(nèi)皮層之間的互作關(guān)系上，利用激素誘導(dǎo)或信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑，充分開發(fā)內(nèi)皮層的高度可塑性，實(shí)現(xiàn)植物對(duì)水分和養(yǎng)分的高效吸收和利用應(yīng)是我們重點(diǎn)研究的目標(biāo)。