禾本科植物中不定根的发生发育研究进展
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摘要：不定根是许多高等须根系植物中根系的主体，是植物固定在土壤中以及吸收利用养分和水分的重要器官，在禾本科植物中有着重要的意义。介绍了不定根的形态和生理特征以及发生发育过程，综述了近年来不定根发育方面的研究成果，总结了生长素信号及运输路径、乙烯和细胞分裂素对植物不定根发育的影响。
关键词：禾本科植物；不定根；发育；生长素
中图分类号：Q944.54 文献标识码：B 文章编号：0439-8114（2013）16-3757-05
高等植物是通过根系从土壤中吸收水分和矿质营养的，此外根系还对植物体具有支撑和固定作用，故植物根系的构型与植物矿质营养和水分的吸收利用效率息息相关[1]。植物的根系可分为两类：以双子叶植物为代表的直根系（Tap root system）和以单子叶植物为代表的须根系（Fibrous root system）。双子叶模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）有着明显的主根（Primary root），但很少形成不定根（Adventitious root），对于大多数重要的禾本科粮食作物，如水稻（Oryza sativa L.）、玉米（Zea mays L.）、小麦（Triticum aestivum L.）等而言，由于种子根在生长早期便衰老死亡，因此由胚后发育所形成的不定根在后期的营养供应中占据着主导地位[1]。
水稻和玉米都是典型的须根系植物，种子萌发后2～3 d形成胚性主根（种子根），种子根发生3～4 d后，在植物的不同节位从下到上依次发生不定根[2]，亦称茎生根（Shoot-borne root）、冠根（Crown root）或支持根（Brace root）等[2]。水稻由茎节处产生的大量不定根组成了水稻主要的地下部分，它们与养分的高效吸收、抗淹水及抗干旱胁迫能力密切相关。此外，对不定根发生发育机理的研究还将有助于利用根系育种学的理论对根构型进行遗传改良，对提高禾本科植物的矿质营养吸收效率、减轻作物对矿质营养肥料的依赖、合理利用水资源以及缓解富营养化危机等方面都有着重大的理论和实践意义[1，2]。
1 不定根的生理特征及发生发育过程
在形态结构上，不定根与主根和侧根的构造几乎完全相同，都包括表皮（Epidermis）、皮层（Cortex）、内皮层（Endodermis）和中柱鞘（Pericycle）等结构，具有根冠（Root cap）、分生区（Meristematic zone）、伸长区（Elongation zone）和根毛区（Root hair zone）等特征。它们的发育过程都涉及到根顶端的少数干细胞（Stem cell）进行各种方式的分裂和分化，膨胀的细胞经过调节最终产生各种类型的根，但它们在发育的细节上却存在很大差异[1，2]。
不定根的发育与侧根的发育具有很多相似之处。有学者根据对水稻的研究结果将不定根的发生发育过程划分为12个连续的阶段，也有学者将其简化为7个阶段[2]。图1以水稻为例详细介绍了所经历的这7个过程：A.起始细胞的确立；B.表皮、内皮层、中柱和根冠起始细胞的建立；C.表皮层和内皮层细胞的分化；D.皮层细胞的分化；E.根器官基本结构的建立；F.细胞开始伸长及液泡化；G.不定根的出现。其中不定根原基的起始是最关键的一步，它起始于中柱鞘最内层的分生细胞，这些邻近维管束（Vascular bundle）的细胞通过1～2次的平周分裂形成了原基起始细胞，然后经过平周分裂后产生内外两层，内层细胞逐步发育成维管组织，外层细胞分化为表皮、内皮和根冠，边缘部分的细胞分化为皮层，并不断分裂增加皮层数目，到这个阶段不定根原基基本形成。在正常发育过程中，水稻的各个节位都有不定根原基发生，但是一般只有在未伸长的基部节位的不定根原基才能发育成熟并最终突破表皮形成不定根[2]。
2 生长素对不定根发生发育的影响
生长素在植物体的生长和发育过程中起着至关重要的作用，影响着包括不定根在内的整个植物根系系统的发育。生理学试验表明，不管是添加人工合成的生长素如α-萘乙酸（NAA）或二氯苯氧乙酸（2，4-D）[3]，还是添加植物内源性的生长素如吲哚乙酸（IAA），都可以显著地影响整个植物的根系构型[3-6]。一定浓度生长素可以抑制根系生长、促进细胞分化；同时加强根系分生组织的细胞分裂，促进侧根和不定根的形成[3-6]。根据前人的研究，可将这些生长素调控根系发育的途径归纳成两条，即生长素信号反应调控的根系发育和生长素运输及分布控制的根系发育。
2.1 生长素信号反应相关的路径对不定根发育的影响
生长素信号系统是一个非常复杂的网络，对不定根的形成和发育也有很大影响。低浓度生长素水平下Aux/IAA蛋白相对比较稳定，能够与ARF（Auxin response factor，生长素反应因子）蛋白形成二聚体，从而削弱ARF蛋白与生长素响应基因（Auxin response gene）启动子内的生长素响应元件（Auxin responsive element，AuxRE）的结合能力。生长素浓度升高时，生长素加强了生长素受体TIR1 （Transport inhibitor resistant 1）与Aux/IAA蛋白的结合[5]，TIR1的F-box指导Aux/IAA 蛋白进行多聚泛素化，从而被蛋白酶体降解，使得游离状态的ARF蛋白的数目增多，调节下游基因的转录[5]。
生长素信号还与小分子RNA（micro RNA，miRNA）和小分子干涉RNA（small interfering RNA，siRNA）存在互作。如在根冠发育中，ARF10和ARF16都是miR160作用的靶标[6]；而在幼苗到成苗转变过程中，ARF3就由TAS3（Trans-acting siRNA）调控[6]。miRNA 还能将含有F-box的生长素受体TIR1、AFB2（Auxin signaling F-Box 2）、AFB3（Auxin signaling F-Box 3）的mRNA 作为靶标进行降解，从而阻止生长素信号的传递[6]。
生长素还可影响OsIAA3基因的表达，改变ARF对转录因子ARL1或CRL1基因的转录，因此ARL1发生突变后，由于生长素信号受阻导致水稻的不定根原基发生受阻，致使不定根数目缺失或急剧减少[7-9]。进一步研究表明ARL1是一类LOB蛋白，若将其在拟南芥中表达会导致不定根的出现，表明这类基因是一种不定根发生的关键基因（其作用机理见图2）。而玉米的RTCS基因也有LOB结构域，与ARL1/CRL1有极高同源性[10]，突变后胚性种子根和胚后发育的茎生根系缺失，且主根向地性反应力下降。此外，水稻的OsIAA14发生突变后，导致自身无法被泛素介导的蛋白酶体降解，从而使不定根缺失或减少[11]。OsRAA1（Oryza sativa root architecture associated 1）也是一类生长素反应基因，增强表达后水稻的主根变短、不定根增加[12]。
2.2 生长素运输对不定根发育的影响
生长素影响着植物细胞的分化，因此在根尖维持合适的生长素浓度对于根的发育非常重要[3，4]。生长素一般在幼嫩的芽和叶尖合成，需要通过极性运输将顶部合成的生长素转运到植株其他各个部分。HFCA（9-hydroxyfluorene-9-carboxylic acid， 一种生长素极性运输抑制剂）处理胚芽鞘可导致不定根减少，NPA（Naphthyl phthalamic acid，萘基邻氨甲酰苯甲酸，另一种生长素极性运输抑制剂）处理水稻幼苗后侧根和不定根都减少，说明生长素的极性运输对于根系的发生发育至关重要[13]。
IAA、NAA、2，4-D 3种生长素在植物体内的运输方式各不相同。NAA的运输需要输出载体（Efflux carrier）才能得以完成；2，4-D则依赖于输入载体（Influx carrier）；而IAA的运输既需要输入载体又需要输出载体[3]。输入载体（主要是AUX1家族）和输出载体（主要是PIN家族）都不对称地分布在细胞的一端。AUX1主要分布在维管组织，可以将生长素运送到胞内，其中AUXR4（Auxin resistant 4）蛋白调控着这一过程[14]。PIN 蛋白主要负责将生长素从胞内运输到胞外，研究表明如果改变一些PIN蛋白的表达，则植物体不定根的数量会发生显著变化[13]；一些生长素极性运输抑制剂可抑制PIN蛋白的活性，从而抑制生长素的外向运输[13，14]。
生长素极性运输一旦受到抑制，生长素在体内的分布则会发生紊乱，故与生长素运输相关的突变体常表现出发育异常。如aux1（auxin resistant 1）突变体根的向地性丧失，且具有抗生长素的表型[11]。但它对不同类型生长素的敏感性不同，对NAA比对IAA和2，4-D敏感，而且NAA可使突变体幼苗恢复向地性，这是因为IAA和2，4-D主要经输入载体输入细胞，而NAA主要通过被动扩散输入细胞，所以输入载体的缺陷对NAA的运输没有任何影响[14]。在水稻的Osgnom突变体中，不定根的发生发生障碍，其原因就在于影响生长素极性运输的PIN蛋白的表达发生了改变[15]。
此外，其他一些参与生长素极性运输和动态稳定的基因发生突变后也会影响不定根及其他相关根系结构。sur和sur2这两个突变体胚轴内源性生长素浓度升高，导致胚轴发生不定根[16]。wol-3突变体也能够在胚轴发生不定根，进一步研究发现这是由于突变体的木质部和木质部薄壁组织细胞减少，导致生长素的运输能力减弱，聚集在胚轴上的生长素诱导了不定根的发生[17]。此外反义抑制OsCKI1（Oryza sativa casein kinase I1）的转基因水稻根系的生长素浓度降低，导致侧根和不定根减少[18]。
拟南芥中axr3突变体表现出增加的顶端优势，对生长素的敏感性发生了变化，根变短同时出现许多不定根，但用10-6 mol/L的6-BA（6-Benzylaminopurine，6-苄基腺嘌呤）处理，axr3突变体的不定根消失了，表明生长素控制根系发生发育的路径与细胞分裂素有关[17]。
3 其他激素对不定根发育的影响
3.1 细胞分裂素对不定根发育的影响
细胞分裂素可抑制根原基细胞由G2期向M期转变，从而影响不定根的发育[17]。将CKX（Cytokinin Oxidase，细胞分裂素氧化酶）基因超表达，会导致体内细胞分裂素含量下降，根分支加剧，不定根增多[17]。最近的研究还发现，水稻的Oscand1突变体其不定根的伸长生长发生障碍，不定根原基在细胞周期中G2/M转换被中止[18]。
细胞分裂素和生长素在根系发育的调控上起着拮抗的作用，生长素可促进侧根和不定根的发生[5]，细胞分裂素则抑制侧根和不定根的发生[17]。由于细胞分裂素对侧根的抑制效果无法通过重新施加外源生长素来恢复[19]，故有学者认为细胞分裂素和生长素对于根系发生发育的调控可能是通过不同的途径。Kitomi等[20]从水稻中分离到一个与生长素信号相关的转录因子Crown rootless5，突变后不定根的发生受阻，进一步研究发现它是通过细胞分裂素信号来发挥作用的。但细胞分裂素和生长素是否在同一条路径上起作用，还需要进行深入的探讨[14]（图3）。
3.2 乙烯对植物不定根发育的影响
乙烯在植物不定根的生长过程中起着非常重要的作用。在水稻正常发育过程中，虽然各个节位都可以发生不定根原基，但只有基部节位的原基才能形成不定根，上部节位的原基一直保持原基状态并被节位表皮所覆盖，其原因就在于基部的原基在淹水条件下通过增加乙烯的合成和积累，诱导了不定根原基的生长，而上部节位的不定根原基缺乏乙烯信号的诱导[21]。此外淹水和乙烯信号还可诱导不定根原基外的表皮细胞的死亡，这有利于不定根的出现[17]。IAA能调控乙烯生物合成的速度，但用NPA处理，不能阻断乙烯诱导的不定根的生长[21]，而且生长素处理后的原基少许生长可能是由于生长素诱导乙烯的生物合成造成的，它能被NBD（2，5-norbornadiene，一种乙烯作用抑制剂）阻断[21]， 这一系列试验说明乙烯可以部分独立于生长素而发挥作用。另外，研究表明乙烯可以通过调节AUX1蛋白的活性和IAA的运输来影响侧根发生[21]。
Aloni等[22]提出了细胞分裂素、生长素和乙烯3种激素联合调控侧根发生的模型，认为促进侧根发生的主要信号是生长素，IAA从幼叶合成后按照极性运输的方式通过中柱鞘和分化的木质部到达根尖，而由根尖合成的细胞分裂素通过维管柱向上运输。决定侧根发生部位的乙烯可以在分化的DPV（Protoxylem vessel，原生木质部导管）内合成。侧根起始最初阶段很可能是DPV内乙烯合成后凭借渗透方式扩散到邻近的组织，在特定区域抑制IAA在中柱鞘的运输，迅速积累的IAA刺激了中柱鞘分生细胞的分裂，使得侧根原基在木质部附近起始。根尖高浓度的细胞分裂素起着与生长素相反的作用，抑制侧根原基的发生，距离根尖较远的伸长区以上部位的侧根就能够发生。
4 影响不定根发生发育的其他因素
除了植物激素影响不定根的发生发育外，其他一些条件也会影响不定根的形成。如拟南芥种子萌发后进行暗处理，在伸长的胚轴上能够发生一定数目的不定根[23]；又如外植体在培养基上可形成不定根[24]。事实上在这些条件下所形成的不定根或多或少与激素有关。如AGO1（ARGONAUTE 1）基因编码一个RNA剪切酶（RNA slicer enzyme），该酶可剪切被micro RNA靶定的mRNA[6]。ago1突变体在黑暗条件下萌发后，其伸长的胚轴上发生的不定根明显减少；同时内源性IAA浓度降低，胚轴处GH3等生长素响应基因表达下降以及ARF17表达上升[6]。在植物体中还有一些特殊的转录因子调控着根系发育，主要有GRAS、Wuschel、ALF4等转录因子。同属GRAS转录因子家族的SHR（Short Root）与SCR（Scarecrow）其突变体都有短根的表型，并且其皮层和内皮层都被一层突变的细胞层所代替[25]。在scr突变体中，突变层具有皮层和内皮层的双重特性，表明SCR基因是起始细胞平周分裂所必需的，但不参与细胞分化[25]。在shr突变体中， 突变层只具有皮层细胞的特性，表明SHR基因不但参与原始细胞的平周分裂，而且还参与内皮层细胞的分化[25]。此外，还参与了SCR基因的转录激活。
水稻QHB（Quiescent center specific homeobox）是在水稻根尖静止中心表达的基因，此外它还在不定根原基起始时的平周分裂细胞中表达，它与拟南芥Wuschel基因结构同源，研究发现QHB基因增强表达的转基因水稻不能产生不定根并且缺少不定根原基[26]。
5 展望
高等植物，特别是一些禾本科植物，其不定根的发生发育在营养和水分吸收方面扮演着极其重要的角色。要进一步探明整个植物不定根发生发育的调控网络，还需要从以下几个方面进行研究。
1）结合表型与细胞观察、分子生物学、生物信息学和遗传学手段对控制不定根发生发育的相关基因进行分析，特别是对其上游信号进行研究，明确不定根发育的调控机理。
2）利用已有的不定根发育的调控机理开展根系育种学实践研究。
3）开展不定根发育缺陷的突变体研究，丰富不定根发育理论。
4）探索环境信号因子对不定根发育的影响，丰富内源和外源性植物激素调控不定根发育的理论。
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