裘喻平 王益川 郭紅衛(wèi)*

（1.南方科技大學(xué)-北京大學(xué)植物與食品聯(lián)合研究所，廣東省普通高校植物工廠分子設(shè)計重點實驗室，深圳 518055；2.南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，深圳 518055）

根毛是植物根表皮特化形成的附屬結(jié)構(gòu)，具有多種重要的生理功能［1］。早在100 多年前，人們就注意到初級的維管植物如石松（Lycopodium japonicum）和卷柏（Selaginella tamariscina）等，也具有根毛結(jié)構(gòu)［2］。隨著近年來分子生物學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)作為地球現(xiàn)存最古老的陸生植物——地錢（Marchantia polymorpha），其毛狀假根的發(fā)育模式和高等植物根毛的發(fā)育模式類似，并且受到同一基因家族的調(diào)控［3］。這說明，根毛的發(fā)育是植物應(yīng)對環(huán)境變化所采取的一種普遍選擇。

植物的根毛只會在特定的根表皮細胞中發(fā)育出來，能發(fā)育出根毛的表皮細胞稱為根毛細胞（root hair cells），不能發(fā)育出根毛的表皮細胞，稱為非根毛細胞（non-root hair cells）［1］。然而，植物根毛發(fā)育的歷程并不是固定不變的，多種植物激素和環(huán)境因素都可以影響根毛的發(fā)育歷程，這體現(xiàn)出根毛發(fā)育的可塑性［4］。正是由于這種可塑性的存在，使得植物在面對土壤微環(huán)境不斷變化的情況下能迅速做出相應(yīng)的反應(yīng)。例如，當土壤中營養(yǎng)元素缺乏時，植物根表皮會產(chǎn)生大量的根毛以擴大根和土壤的接觸面積，從而協(xié)助植物對土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；而當固氮菌附著在固氮植物的根毛時，固氮植物的根毛會通過形態(tài)變化，幫助固氮菌定植于植物體內(nèi)等［5］。

在植物根毛的研究中，擬南芥（Arabidopsis thaliana）根毛發(fā)育的分子機制研究最為深入，其他物種的根毛發(fā)育機制研究多是參照擬南芥根毛發(fā)育的分子框架進行類比研究的。在這篇綜述中，筆者將以擬南芥根毛發(fā)育的研究成果為主，從根毛發(fā)育概述、植物激素調(diào)控根毛發(fā)育、環(huán)境因素調(diào)控根毛發(fā)育和根毛發(fā)育研究展望四部分進行梳理和總結(jié)。

1 根毛發(fā)育概述

根據(jù)根毛細胞和非根毛細胞排列模式的差異，自然界中的植物可以被分成3 類：第1 類如水稻（Oryza sativa）、番茄（Lycopersicon esculentum）等，其根毛和非根毛細胞排列方式?jīng)]有特定規(guī)律可循；第2 類如二穗短柄草（Brachypodium distachyon）等，其根表皮是由縱向?qū)ΨQ生長的一大一小2種細胞組成，其中小細胞能發(fā)育出根毛，而大細胞不能發(fā)育出根毛；第3 類如擬南芥等，其根表皮由根毛細胞列和非根毛細胞列縱向間隔排列組成。擬南芥的主根自根尖而上可分為分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)3個區(qū)域，由于成熟區(qū)有根毛發(fā)生因而也被稱為根毛區(qū)［1］。根據(jù)擬南芥根表皮細胞和皮層細胞的相對位置，擬南芥根表皮細胞可以分成2類：和2個皮層細胞接觸的表皮細胞具有發(fā)育出根毛的潛力，因而被稱為根毛細胞，該細胞所處位置被稱為H 位置；相對地，只和1 個皮層細胞接觸的表皮細胞不會發(fā)育出根毛，因而被稱為非根毛細胞，其所處的細胞位置被稱為N 位置［1］（見圖1）。擬南芥根表皮的H 位置細胞會依次經(jīng)歷根毛細胞命運分化、根毛起始和根毛伸長3 個過程，最終發(fā)育出成熟的根毛［1］。

圖1 擬南芥主根根毛表型及表皮細胞分化調(diào)控A.6天齡野生型擬南芥主根根毛生長表型；B.擬南芥根部橫切示意圖；C.擬南芥根表皮細胞分化分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Regulation of root hair phenotype and epidermis cells differentiation in primary roots of A. thalianaA.Primary root hair growth phenotype of 6-day-old wild-type A. thaliana；B.Schematic diagram of A.thaliana root transection；C.Schematic diagram of molecular regulatory network for differentiation of A.thaliana root epidermis cells

1.1 根毛細胞的命運分化

在擬南芥H 位置細胞和N 位置細胞中存在著2種不同的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，根據(jù)其轉(zhuǎn)錄功能不同被分別命名為轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體和轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體［1］。N 位置細胞中，由MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）轉(zhuǎn)錄因子家族R2-R3 型蛋白WER（WEREWOLF），bHLH（basic Helix-Loop-Helix）轉(zhuǎn)錄因子家族的GL3（GLABRA 3）和EGL3（ENHANCER OF GLABRA 3），以及WD40 重復(fù)蛋白TTG1（TRANSPARENT TESTA GLABRA 1）通過蛋白之間的相互作用，形成WER-GL3/EGL3-TTG1轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體［1］。在N 位置細胞中WER-GL3/EGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體主要負責(zé)轉(zhuǎn)錄Homeodomain 家 族 轉(zhuǎn) 錄 因 子GL2（GLABRA 2）［6］和 小MYB 類轉(zhuǎn)錄因子CPC（CAPRICE）及其同源基因的表達［7］。CPC 及其同源蛋白在N 位置細胞中合成后會通過胞間連絲移動到根毛細胞中發(fā)揮功能［8-10］。在H 位置細胞中的CPC 蛋白會和轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體中的WER 蛋白競爭結(jié)合GL3/EGL3-TTG1 復(fù)合體從而形成CPC-GL3/EGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體［1，9］。由于CPC 蛋白缺少轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，因而CPC-GL3/EGL3-TTG1 不能促進下游GL2和CPC等基因的轉(zhuǎn)錄［1，7］。此外，H 位置細胞中特異表達的GL3/EGL3，其編碼產(chǎn)物可以移動到N 位置細胞中，參與N 細胞中轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體WER-GL3/EGL3-TTG1 的組成從而維持N 位置細胞非根毛細胞命運［11］。擬南芥根表皮細胞命運分化受到1 個編碼富亮氨酸受體激酶SCM（SCRAMBLED）調(diào)控［12］。根表皮細胞發(fā)育早期，SCM 蛋白定位在所有的表皮細胞的細胞膜上，并不區(qū)分是H 細胞還是N 細胞。隨著根表皮細胞發(fā)育過程的進行，SCM 蛋白在H 細胞的細胞膜上積累并且通過某種未知的方式抑制WER的轉(zhuǎn)錄表達，從而促進H 位置細胞進入根毛細胞命運［4，12］。近期研究發(fā)現(xiàn)，1 個名為QKY（QUIRKY）的膜蛋白會穩(wěn)定SCM 蛋白，并且和SCM 蛋白一起調(diào)控CPC 在根表皮細胞間的正確移動，從而維持擬南芥根表皮細胞的正常分化［13］。此外，組蛋白組裝和核糖體合成也被報道參與到擬南芥根毛命運分化，然而這些過程參與根毛細胞命運調(diào)控的具體分子、生化機制尚不清楚［14-15］。

擬南芥N 位置細胞中特異表達的GL2 蛋白會抑制一系列根毛發(fā)生基因的表達從而維持N 位置細胞的非根毛細胞命運［16-18］。在GL2 負調(diào)控的眾多根毛發(fā)生因子中研究最為廣泛的是RHD6（ROOT HAIR DEFECTIVE 6）［3］。RHD6 屬于植物bHLH 類轉(zhuǎn)錄因子家族的VIIIc 亞家族。在這個亞家族中還存RSL1～RSL5 成員。這類家族蛋白的C端有1 段由14 個氨基酸組成的特殊結(jié)構(gòu)域，稱為RSL 結(jié)構(gòu)域［19］。值得注意的是，在不同物種中，RHD6的同源基因都具有調(diào)控根毛或者根毛狀結(jié)構(gòu)發(fā)生的功能，體現(xiàn)出RSL家族基因功能的保守性［20］。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)在番茄中也存在類似于擬南芥根毛分化的轉(zhuǎn)錄因子，可能會調(diào)控番茄的根表皮細胞命運分化［21］。而禾本科（Poaceae）等其他高等植物根表皮細胞分化的研究較少［20］。

1.2 根毛的起始和伸長

擬南芥根表皮細胞命運分化決定后，根毛細胞就將進入根毛形成階段。擬南芥根毛形成階段一般可以分為根毛起始和根毛伸長2 個階段［1］。在擬南芥根毛起始階段，根毛細胞靠近根尖方向處會形成直徑大約22 μm的圓盤狀突起［1］。隨后，根毛會在該突起結(jié)構(gòu)上伸長形成圓柱形的結(jié)構(gòu)。該過程伴隨著ROPs（RHO-RELATED PROTEIN FROM PLANTS）聚集，細胞外pH 下降和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚集以及微絲蛋白積累等現(xiàn)象的發(fā)生［22］。該過程的分子調(diào)控機制研究相對較少，主要是細胞生物學(xué)的觀察。

當根毛的起始過程完成后，根毛就進入伸長階段。傳統(tǒng)觀點認為根毛的伸長過程屬于典型的頂端生長（tip growth）過程［1］。在該過程中，RHD6下游調(diào)控的RSL4及其同源基因RSL2起到關(guān)鍵作用［1］。擬南芥rsl4 rsl2雙重突變體在已知的所有促進擬南芥根毛生長的條件下都不能發(fā)育出根毛，因此人們普遍認為RSL4和RSL2是擬南芥根毛伸長過程中最關(guān)鍵因子［23］。rsl4 rsl2雙重突變體中H位置的細胞依舊保留有根毛起始過程，這顯示RSL4和RSL2并不參與調(diào)控擬南芥根毛起始過程而只是參與根毛伸長過程［24］。

在根毛頂端生長過程中，根毛細胞中鉀離子和氯離子的濃度會增加進而增加根毛細胞中的膨壓，為根毛伸長提供持續(xù)的動力［1］。在根毛伸長過程中，根毛頂端細胞壁會因為pH 的下降和活性氧的增加而軟化從而膨大；pH 下降和活性氧的增加又會激活鈣信號的增強，從而加固膨大的細胞壁以免細胞爆裂［1］。在根毛伸長過程中pH、活性氧和鈣信號三者處于周期性變化中。此外，在根毛伸長過程中ROPs 蛋白會聚集在根毛頂端來指導(dǎo)根毛的伸長方向［4］。近期，有研究表明根毛的伸長過程不僅包括根毛細胞頂端生長，也包括根毛細胞的側(cè)壁生長，但其生物學(xué)意義和機理還有待研究［25］。相對于研究較為豐富的根毛細胞分化過程，根毛伸長研究中還有很多基礎(chǔ)性問題沒有得到解決，例如根毛細胞伸長過程中鉀離子和氯離子濃度是如何增加的，pH 和活性氧是如何激活鈣信號的，ROPs 蛋白是如何準確定位在根毛頂端的等。除此之外，根毛如何停止生長也是一個十分有趣的問題，然而至今關(guān)于這方面的研究只是停留在細胞學(xué)觀察層面，其內(nèi)在機制研究十分有限［1］。

2 植物激素調(diào)控根毛發(fā)育

植物響應(yīng)外界環(huán)境改變自身生長發(fā)育過程，通常會以調(diào)節(jié)植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程得以實現(xiàn)。近年來，多種植物激素被發(fā)現(xiàn)在調(diào)控根毛發(fā)育過程中起到重要作用（見圖2）。

圖2 多種植物激素整合調(diào)控擬南芥根毛發(fā)育的分子網(wǎng)絡(luò)Fig.2 A molecular network integrating multiple plant hormones to regulate root hair development of A. thaliana

2.1 乙烯

乙烯是一種經(jīng)典的植物激素，具有正調(diào)控根毛發(fā)育的作用［26］。在20 世紀90 年代，人們發(fā)現(xiàn)外源施加乙烯合成前體ACC（1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid）會促進野生型擬南芥根毛伸長；高濃度ACC 還可以誘導(dǎo)擬南芥異位根毛（在N 位置表皮上發(fā)生的根毛）的發(fā)生［26］。此外，外源施加ACC 可以恢復(fù)rhd6 rsl1突變體根毛缺陷的表型，這暗示乙烯信號促進根毛伸長的作用在遺傳上可能位于RHD6/RSL1下游或與之平行［1］。2017 年，F(xiàn)eng 等［27］研究發(fā)現(xiàn)乙烯信號通路核心轉(zhuǎn)錄因子EIN3（ETHYLENE INSENSITIVE 3）蛋白可以直接結(jié)合RSL4的啟動子區(qū)域，誘導(dǎo)RSL4基因表達上調(diào)，促進根毛伸長。EIN3 還可以和RHD6 直接相互作用形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體加強對RSL4的轉(zhuǎn)錄上調(diào)作 用［27］。近 期 有 研 究 報 道，EIN3 可 以 通 過 和MYB30 的蛋白相互作用，解除MYB30 對RSL4的轉(zhuǎn)錄抑制作用，從而促進根毛伸長［28］。此外，乙烯促進根毛伸長需要1 個鋅指蛋白ZFP5（ZINC FINGER PROTEIN 5）發(fā)揮作用，然而具體的分子機制尚不清楚［29］。

相較于乙烯促進根毛伸長分子機制的研究，乙烯促進異位根毛發(fā)生的分子機制研究相對較少。早期，研究人員鑒于乙烯處理后GL2表達的細胞特異性不變推測乙烯信號可能是平行或者位于TTG1/GL2下游調(diào)控根毛發(fā)育［30］。2021 年，Qiu等［31］發(fā)現(xiàn)在飽和濃度外源乙烯處理下，EIN3 可以競爭結(jié)合N 位置細胞中TTG1 蛋白，干擾WERGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體對GL2的轉(zhuǎn)錄激活，下調(diào)其表達量，從而誘導(dǎo)N 位置細胞發(fā)育出根毛。此外，RSL4 也會通過和EIN3 類似的方式調(diào)控GL2的轉(zhuǎn)錄水平，從而參與到乙烯誘導(dǎo)的異位根毛發(fā)生過程中［31］。乙烯不僅會參與調(diào)控擬南芥根毛細胞命運分化，根毛起始和根毛伸長等多個環(huán)節(jié)，并且還會和其他植物激素或者環(huán)境刺激相互作用共同調(diào)控根毛發(fā)育。

2.2 生長素

同乙烯類似，生長素也是一種具有正調(diào)控根毛發(fā)育作用的植物激素［1，32］。外源施加生長素IAA（Indole-3-acetic acid）可以促進擬南芥根毛伸長［32］，而生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體axr1（auxin resistant 1），生長素轉(zhuǎn)運突變aux1（auxin1）和pin2（pinformed 2）等都具有根毛缺陷表型［1］。這都說明生長素具有正調(diào)控根毛發(fā)育的功能。和乙烯類似，生長素可以恢復(fù)rhd6 rsl1根毛缺陷的表型，暗示生長素也可能是位于RHD6/RSL1下游調(diào)控根毛發(fā)育［1，24，32］。外源施加的生長素可以促進RSL4表達［1］。生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中ARF5（AXUIN RESPONSE FACTOR 5）、ARF7、ARF8 和 ARF19 等轉(zhuǎn)錄因子能直接結(jié)合RSL4的啟動子區(qū)域促進RSL4轉(zhuǎn)錄，從而促進根毛伸長［23，33］。此外，ARF7 和ARF19 能直接結(jié)合RSL4 的靶基因ERU（ERULUS）調(diào)控根毛細胞壁的組分變化，促進根毛伸長［34］。

生長素和乙烯在調(diào)控根系發(fā)育過程中具有很多交匯，比如生長素和乙烯都是通過限制根表皮細胞的伸長抑制主根生長［35］，都會通過促進RSL4轉(zhuǎn)錄水平促進根毛伸長［23］，都會影響彼此的合成和信號通路調(diào)控根系發(fā)育［36］。值得注意的是，生長素并不能像乙烯一樣誘導(dǎo)擬南芥N 位置細胞發(fā)育出根毛，也不能恢復(fù)ein3 eil1 rhd6 rsl1突變體的無毛表型［1，27］，這說明乙烯和生長素信號在調(diào)控根毛發(fā)育中具有更加復(fù)雜的調(diào)控機制。

2.3 茉莉酸

茉莉酸作為一種經(jīng)典的脅迫激素，在調(diào)控植物根系發(fā)育、應(yīng)對逆境脅迫等過程中發(fā)揮著十分重要的作用［37］。外源施加茉莉酸或者茉莉酸甲酯會促進擬南芥根毛的伸長、促進根毛的分叉，從而增加根毛的覆蓋面積；減少內(nèi)源茉莉酸含量則顯著抑制根毛伸長［38］。茉莉酸信號抑制子JAZ（JASMONATE-ZIM-DOMAIN）的五重突變體jazQ的根毛顯著長于野生型，而JAZ過表達植物的根毛長度要短于野生型［39］。這些都說明茉莉酸具有正調(diào)控根毛發(fā)育的功能。研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸信號通路中負調(diào)控因子JAZ 蛋白可以干擾根毛發(fā)育因子RHD6 和RSL1 的功能，抑制根毛發(fā)育。激活茉莉酸信號通路可以促進JAZ蛋白降解，解除JAZ蛋白對RHD6/RSL1 的抑制作用，促進根毛發(fā)育［39］。乙烯和茉莉酸在調(diào)控根毛發(fā)育過程中具有協(xié)同作用。JAZ蛋白可以和乙烯信號核心轉(zhuǎn)錄因子EIN3/EIL1 相互作用，抑制EIN3/EIL1 功能，抑制根毛伸長［40］。

2.4 細胞分裂素

細胞分裂素在植物生長發(fā)育和細胞周期調(diào)控中起到重要作用［41］。在根毛發(fā)育過程中，細胞分裂素起正調(diào)控作用。外源施加或者內(nèi)源增加植物體內(nèi)細胞分裂素的含量都能顯著促進擬南芥根毛發(fā)育［42］。研究報道，鋅指蛋白ZFP5 在細胞分裂素調(diào)控的根毛發(fā)育過程中起到重要作用。外源施加細胞分裂素不能恢復(fù)zfp5突變體短根毛的表型。并且外源施加的細胞分裂素能促進ZFP5轉(zhuǎn)錄水平的上調(diào)。這些都顯示細胞分裂素是通過調(diào)控ZFP5調(diào)控根毛伸長的［29］。研究發(fā)現(xiàn)，細胞分裂素、生長素和乙烯在調(diào)控根毛發(fā)育過程中具有相互獨立的作用［42］，然而這3 種激素都能促進RSL4轉(zhuǎn)錄本的上調(diào)，促進根毛伸長，暗示他們在促進根毛伸長過程中存在共同節(jié)點［23，42］。

2.5 油菜素甾醇

油菜素甾醇信號通路是維持擬南芥根表皮細胞命運分化所必需的［43］。內(nèi)源激活油菜素甾醇信號通路會導(dǎo)致擬南芥根表皮的H 位置細胞進入非根毛細胞命運，從而減少根毛發(fā)生；與之相對的是，阻斷油菜素甾醇信號通路會導(dǎo)致N 位置細胞進入根毛細胞命運，從而增加根毛發(fā)生［44-45］。這說明油菜素甾醇信號具有維持N 位置細胞非根毛細胞命運的作用。研究發(fā)現(xiàn)，油菜素甾醇具有正調(diào)控非根毛細胞核心轉(zhuǎn)錄因子WER轉(zhuǎn)錄水平的功能［45］。2014年，Cheng等［44］發(fā)現(xiàn)在植物體內(nèi)油菜素甾醇信號具有調(diào)控根表皮細胞命運復(fù)合體WERGL3/EGL3-TTG1 的作用。當植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度較低時，其信號核心負調(diào)控因子BIN2（BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 2）處于激活狀態(tài)。激活狀態(tài)的BIN2 會磷酸化根表皮細胞中EGL3 和TTG1 蛋 白，從 而 干 擾WER-GL3/EGL3-TTG1 對GL2的轉(zhuǎn)錄激活作用，誘導(dǎo)N 位置細胞發(fā)育出根毛；當植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度正常時，其信號核心負調(diào)控因子BIN2 處于失活狀態(tài)，失活狀態(tài)的BIN2 無法磷酸化EGL3 和TTG1 蛋白，根表皮細胞中WER-GL3/EGL3-TTG1 得以激活GL2的轉(zhuǎn)錄，從而維持正常的根表皮細胞命運分化；當植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度較高時，會促進WER 蛋白在H 位置細胞中積累，導(dǎo)致在H 位置細胞中具有完整且有活性的WER-GL3/EGL3-TTG1復(fù)合體，促進GL2的轉(zhuǎn)錄水平，誘導(dǎo)H位置細胞進入非根毛細胞命運［44］。

2.6 脫落酸

脫落酸在調(diào)控根毛發(fā)育過程中的作用相對復(fù)雜。一方面，脫落酸會通過促進OBP4（OBF BINDING PROTEIN4）蛋白積累抑制RSL2轉(zhuǎn)錄，抑制根毛伸長［46-47］；另一方面，外源施加脫落酸能促進擬南芥異位根毛發(fā)生［48］。脫落酸促進根毛起始可能部分依賴于過氧化氫的作用。外源施加適量的過氧化氫可以顯著誘導(dǎo)根毛產(chǎn)生［48］。而施加過氧化氫的清除劑ASA（Ascorbic acid）可以顯著抑制ABA 誘導(dǎo)的根毛起始［49］。然而，脫落酸促進異位根毛發(fā)生的分子機制尚不清楚。

3 環(huán)境因素調(diào)控根毛發(fā)育

植物根表皮細胞的發(fā)育過程具有很強的可塑性［4］。當環(huán)境發(fā)生變化時，植物根表皮細胞會做出響應(yīng)以適應(yīng)外界環(huán)境變化［5］。近年來越來越多的研究聚焦于環(huán)境因素調(diào)控的植物根毛發(fā)育（見圖3）。

圖3 環(huán)境因素調(diào)控擬南芥根毛的可塑性發(fā)育Fig.3 Environmental factors regulate the plastic development of root hairs in A. thaliana

3.1 磷元素

磷元素是植物生長發(fā)育所必需的大量元素。在自然界的土壤中，大部分磷酸鹽會與陽離子結(jié)合而沉淀，或被土壤微生物轉(zhuǎn)化為有機物而難以被植物直接攝取，因而農(nóng)作物會經(jīng)常面臨缺磷脅迫。植物在應(yīng)對缺磷脅迫時，會產(chǎn)生一系列生理和形態(tài)方面的變化以促進磷元素的獲取和利用［50］。

在缺磷環(huán)境下生長的擬南芥根毛是正常環(huán)境下的2倍，并且缺磷環(huán)境會誘導(dǎo)擬南芥異位根毛發(fā)生［4］。這顯示缺磷脅迫正調(diào)控根毛發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，缺磷脅迫會活化植物體內(nèi)生長素信號通路，從而促進RSL2和RSL4的轉(zhuǎn)錄，促進根毛伸長［51-53］。相對地，環(huán)境中高濃度的磷會抑制RSL4的轉(zhuǎn)錄，抑制根毛伸長［53］。有趣的是，在高磷環(huán)境下施加生長素不能促進rsl2突變體根毛伸長，卻能促進rsl4突變體根毛伸長，這顯示RSL2和RSL4在響應(yīng)生長素和外界磷濃度變化時存在差異［54］。此外，缺磷脅迫還能通過活化乙烯信號通路，促進根毛發(fā)育。Song 等［55］發(fā)現(xiàn)乙烯受體ERS1的功能獲得性突變體表現(xiàn)出對低磷的超敏感特性。該突變體在低磷環(huán)境下具有較野生型更長和更多的根毛。進一步研究發(fā)現(xiàn)，該突變中EIN3 蛋白會在低磷環(huán)境下積累，促進RSL4等根毛發(fā)育正調(diào)控因子表達，從而促進根毛發(fā)育［55］。缺磷脅迫還會促進CPC同 源 基 因ETC1（ENHANCER OF TRY AND CPC1）的轉(zhuǎn)錄表達，促進根毛發(fā)育［56］。有研究人員通過單細胞轉(zhuǎn)錄測序手段發(fā)現(xiàn)，低磷會誘導(dǎo)根部維管組織中細胞分裂素合成，促進根毛發(fā)育［57］。目前，關(guān)于低磷促進擬南芥根毛發(fā)育的報道有很多，但植物是如何整合缺磷信號和根毛發(fā)育的分子機制探索還較少。

3.2 鐵元素

鐵元素是植物體內(nèi)大量酶促反應(yīng)必需的輔因子，是植物體所需的大量元素之一。然而天然土壤中的鐵元素常以難溶的三價鐵形式存在，因此植物在自然環(huán)境中經(jīng)常會面臨缺鐵脅迫［58］。植物的根會通過質(zhì)子泵AHA2（H+-ATPASE 2）向土壤中排放氫離子從而使得土壤酸化，三價鐵會在FRO2（FERRIC REDUCTASE-OXIDASE 2）的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇艿亩r鐵［58］。植物在缺鐵環(huán)境下，會產(chǎn)生具有分叉的根毛而不是異位根毛以擴大根系覆蓋面積，獲取更多的鐵元素［59］。考慮到外源施加茉莉酸能促進根毛分叉，缺鐵脅迫導(dǎo)致的根毛分叉很可能和茉莉酸信號有關(guān)［38］。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，缺鐵還會導(dǎo)致乙烯和生長素信號相關(guān)基因的表達產(chǎn)生變化，暗示生長素信號和乙烯信號通路可能也會參與缺鐵調(diào)控的根毛發(fā)育［60］。值得注意的是，在植物響應(yīng)缺鐵脅迫過程中，其蛋白質(zhì)組會產(chǎn)生顯著變化，暗示轉(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾在植物響應(yīng)缺鐵脅迫過程中起到重要作用［61］。

3.3 氮元素

氮元素是農(nóng)作物所需的大量元素，也是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的主要營養(yǎng)元素。土壤中的氮元素主要以硝酸鹽和銨鹽2 種形式存在［62］。其中硝酸鹽既可以作為植物的氮源，也可以作為植物信號分子調(diào)控植物根系發(fā)育［63］。

根毛在植物吸收硝酸鹽過程中起到非常重要的作用。擬南芥根毛缺陷突變體較野生型會積累更少的硝酸鹽；與之相對的是，具有異位根毛發(fā)生的突變體會積累較野生型更多的硝酸鹽［64］。外源施加硝酸鹽會增加根毛密度，并且硝酸鹽這種促進根毛密度增加的效果主要是通過抑制根表皮細胞長度得以實現(xiàn)的［65］。此外，硝酸鹽會通過TGA1/TGA4（TGACG SEQUENCE-SPECIFIC BINDING PROTEIN 1/4）誘導(dǎo)CPC基因表達，這暗示CPC基因可能在硝酸鹽誘導(dǎo)的根毛密度增加過程起重要作用［65］。當環(huán)境中硝酸鹽含量不足時，植物會以一種NRT2.1（NITRATE TRANSPORTER 2.1）依賴的方式促進根毛伸長［66］。此外，在培養(yǎng)基中減少銨鹽（不減少硝酸鹽）可以顯著促進擬南芥根毛的伸長；有趣的是，在培養(yǎng)基中增加銨鹽會誘導(dǎo)擬南芥根毛發(fā)生分叉，然而其具體分子機制尚不清楚［67］。

3.4 干旱和鹽脅迫

干旱和鹽脅迫是植物所面臨的最普遍的非生物脅迫。除了干旱直接導(dǎo)致的植物缺水，高鹽脅迫同樣會導(dǎo)致植物失水［68］。根毛的存在極大增加了植物根部和土壤的接觸面積，一般認為根毛有助于植物吸收礦物質(zhì)和水分［1］。通過增加水稻和玉米（Zea mays）等作物的根毛密度可以顯著增加這些作物的耐旱性，這顯示了根毛在植物應(yīng)對干旱脅迫中的重要作用［69-70］。然而在培養(yǎng)皿中，過多或者過少的水分都會抑制根毛發(fā)育，這體現(xiàn)出環(huán)境水分含量對根毛影響的復(fù)雜性［67］。與干旱脅迫類似的是，鹽脅迫也會抑制植物根毛的發(fā)育，并且可能和鹽響應(yīng)信號通路的SOS1 相關(guān)［71-72］。此外，干旱會促進擬南芥根毛產(chǎn)生分叉［67］。值得注意的是，與干旱和鹽脅迫有緊密關(guān)系的脫落酸在調(diào)控根毛發(fā)育過程中也具有兩面性［67］。未來以脫落酸信號為靶點，研究干旱和鹽脅迫調(diào)控根毛發(fā)育的分子機制可能是一種可行的方案。

3.5 溫度

自然界的溫度變化較實驗室培養(yǎng)條件是十分劇烈的。環(huán)境溫度的降低或者升高都會顯著影響植物主根的發(fā)育［73］。有研究顯示，低溫（10 ℃）會顯 著 促 進 擬 南 芥 根 毛 伸 長。Pacheco 等［74］利 用GWAS（Genome Wide Association Study）方法鑒定到過氧化酶PRX62（PEROXIDASE 62）和PRX69（PEROXIDASE 69）在低溫誘導(dǎo)的擬南芥根毛伸長過程中起到重要作用。低溫下PRX62 和PRX69會通過調(diào)控活性氧和細胞壁擴張蛋白方式促進根毛伸長［74］。此外，研究還發(fā)現(xiàn)低溫會促進擬南芥長鏈非編碼RNA APOLO（AUXIN-REGULATED PROMOTER LOOP）的積累，進而介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子WRKY42對RHD6的轉(zhuǎn)錄激活作用，從而促進根毛伸長［75］。和低溫正調(diào)控植物根毛發(fā)育相對的是，高溫對植物根毛發(fā)育影響的研究較少。有研究人員在篩選溫敏突變體過程中發(fā)現(xiàn)一個FER（FERONIA）點突變體fer-ts（feronia-temperature sensitive）具有高溫誘導(dǎo)的根毛發(fā)育缺陷表型。該突變體在高溫（30 ℃）下，幾乎沒有根毛發(fā)生；而在22 ℃溫度培養(yǎng)，能正常發(fā)育出根毛［76］。然而在30 ℃下生長的野生型擬南芥的根毛長度和密度與22 ℃下生長的沒有顯著差異［76］，這說明30 ℃的溫度條件并不會影響正常的根毛生長。

3.6 根際微生物

根毛為植物和土壤微生物之間的信息交流提供了重要場所［5］。土壤中存在多種類型的土壤微生物，包括促進植物生長的根際微生物PGPR（plant growth promoting rhizobacteria）、共生固氮微生物和病原微生物等。這些微生物會通過定植在植物根毛結(jié)構(gòu)和植物形成共生或非共生方式和植物一同生存［19］。在這個過程中，菌會分泌多種物質(zhì)調(diào)控植物根毛發(fā)育，幫助菌和植物的互作［77-78］。比如，共生根瘤菌會首先利用凝集素結(jié)合葡甘露聚糖/根黏蛋白結(jié)合到固氮植物的根毛表面［79］。共生根瘤菌附著在根毛表面后，會釋放結(jié)瘤因子（nod factors），導(dǎo)致根毛頂端向根瘤菌附著部位生長，導(dǎo)致根毛卷曲包裹根瘤菌進入根毛。根瘤菌會通過根毛頂端的質(zhì)膜內(nèi)陷形成的侵染線進入植物體內(nèi)［80］。此外，一些PGPR和病原微生物會通過乙烯或者生長素信號依賴的方式增加根毛長度和密度［5］。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，細菌群體感應(yīng)信號AHLs（N-acyl-l-homoserine lactones，N-?；?l-高絲氨酸內(nèi)酯）可以生長素信號不依賴的方式促進擬南芥根毛發(fā)育［81］。這說明不同根際微生物會通過不同方式影響植物根毛發(fā)育從而幫助自身生存和繁衍。

4 根毛發(fā)育研究展望

根毛作為植物與環(huán)境接觸的最外層結(jié)構(gòu)，在植物生長發(fā)育和應(yīng)對各種脅迫過程中起到重要作用。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，人們對植物根毛的發(fā)育過程有了更加全面的認識?；谶@一認識，研究者們建立了一個完整的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并將其與其他植物激素信號和環(huán)境刺激信號整合在一起。

然而縱觀根毛發(fā)育研究的歷程，還是有很多不足之處。在根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的搭建過程中，人們多是依賴于遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究手段［1］，缺乏對于根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中重要組分生化性質(zhì)和功能的探究。此外，如今的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)主要是基于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)系搭建而成，缺乏其他層面調(diào)控的研究。近年來，陸續(xù)有研究報道表觀遺傳、翻譯和翻譯后修飾調(diào)控可能參與到根毛發(fā)育過程中，但是這些調(diào)控過程在整體的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的重要性還有待挖掘和檢驗［14-15，44］。在植物激素調(diào)控根毛發(fā)育的研究中，人們多是從整體上改變植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程來研究植物激素對于根毛發(fā)育的影響［67］，缺乏從組織層面或是細胞層面上研究植物激素對根毛發(fā)育的影響。通過現(xiàn)有的豐富的分子生物學(xué)工具，實現(xiàn)組織層面和細胞層面的激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的操縱已不是難事。未來基于分子生物學(xué)工具研究微觀尺度下原位激素信號調(diào)控根毛發(fā)育是一個值得嘗試的方向。在環(huán)境因素影響根毛發(fā)育研究中，分子機制研究相對較淺，缺乏諸如將植物感受環(huán)境刺激信號和根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)整合在一起的研究［61］。隨著近年來單細胞測序技術(shù)發(fā)展，更加系統(tǒng)、精準地探究環(huán)境刺激對根毛發(fā)育歷程的改變，可能為挖掘環(huán)境因素對根毛發(fā)育影響的分子機制提供契機。

根毛作為植物普遍具有的結(jié)構(gòu)，其發(fā)育分子機制在不同植物之間具有保守性。例如，水稻、楊樹（Populus）和卷柏等物種中的RSL4的同源基因可以恢復(fù)擬南芥rsl4突變體根毛缺陷表型［82］；地錢和小立碗蘚（Physcomitrium subeurystomum）中RSL同源基因可以促進這2種植物毛狀假根（類似于根毛的結(jié)構(gòu)）的形成［3］。這些都說明以擬南芥根毛研究為基礎(chǔ)指導(dǎo)其他物種根毛研究是可行的。然而值得注意的是，在不同物種間，根毛發(fā)育過程也存在差異。比如，在水稻中生長素輸入性蛋白OsAUX1 主要在根毛細胞中積累，而擬南芥中的AtAUX1 主要在非根毛細胞中積累［83］。這也提示了，不能將擬南芥中根毛研究成果簡單推廣到其他物種。