蔬菜不定根形成調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

馬 凱，楊 凡，蔡毓新，唐艷領(lǐng)，牛莉莉，史宣杰

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 鄭州 450002； 2.河南省慶發(fā)種業(yè)有限公司 鄭州 450002）

蔬菜不定根形成調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展

馬 凱1，楊 凡1，蔡毓新2，唐艷領(lǐng)1，牛莉莉1，史宣杰1

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 鄭州 450002； 2.河南省慶發(fā)種業(yè)有限公司 鄭州 450002）

不定根的形成是一種受到基因型、生理狀況及所處環(huán)境因素影響的復(fù)雜生物學(xué)過(guò)程。對(duì)該過(guò)程的研究不僅可揭示不定根的發(fā)育機(jī)制，而且可促進(jìn)植物種苗的商業(yè)化發(fā)展。與生長(zhǎng)素合成、轉(zhuǎn)運(yùn)、信號(hào)響應(yīng)及降解相關(guān)的生理生化及分子調(diào)控機(jī)制已有廣泛深入的研究，筆者將從植物激素、下游信號(hào)分子、相關(guān)基因和蛋白等幾個(gè)方面綜述蔬菜不定根形成分子調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展。

蔬菜；不定根；植物激素；分子調(diào)控

植物根系是一種在根際環(huán)境中生長(zhǎng)發(fā)育的器官，具有將植物固定在附著物上并從中吸收水分和營(yíng)養(yǎng)元素的功能，主要包括主根（primary root，PR）、側(cè)根（lateral root，LR）及不定根（adventitious root，AR）3種類型[1]。植物的不定根可以從非根組織上經(jīng)自發(fā)或脅迫誘導(dǎo)形成，脅迫因素主要包括創(chuàng)傷、水淹及缺素等。蔬菜不定根的形成有助于促進(jìn)根系的吸收功能及附著能力[2]。對(duì)于不定根形成的研究不僅有助于闡明植物發(fā)育的調(diào)節(jié)機(jī)制，而且可以促進(jìn)優(yōu)良品種無(wú)性繁殖技術(shù)的應(yīng)用[3]。

不定根的形成是一種脅迫適應(yīng)機(jī)制，園藝植物的扦插及斷根嫁接等技術(shù)的應(yīng)用都依賴于不定根的正常形成。基因型、生理狀態(tài)、環(huán)境條件、激素、信號(hào)分子等因素都會(huì)影響不定根的形成和發(fā)育過(guò)程[3]。畢玉婷、郭早霞等[4-5]分別總結(jié)了禾本科植物、木本植物中不定根發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展。近年來(lái)，對(duì)于黃瓜和番茄不定根發(fā)生發(fā)育調(diào)控機(jī)制的相關(guān)研究逐漸增多并成為研究熱點(diǎn)問(wèn)題，筆者從植物激素、下游信號(hào)分子、相關(guān)基因和蛋白等幾個(gè)方面綜述蔬菜不定根形成分子調(diào)控機(jī)制的相關(guān)研究進(jìn)展。

1 不定根的形成過(guò)程

蔬菜不定根的形成是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)過(guò)程，涉及到多個(gè)信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[3]。在過(guò)去的幾十年中，主根和側(cè)根生長(zhǎng)發(fā)育的生理生化及分子調(diào)控機(jī)制已經(jīng)被很好的理解，相比而言，關(guān)于不定根形成調(diào)控機(jī)制的研究相對(duì)滯后[1]。不定根的形成過(guò)程一般被劃分為誘導(dǎo)階段（induction phase），起始階段（initiation phase）及表達(dá)階段（expression phase）。首先，在誘導(dǎo)階段，具有形成不定根潛力的細(xì)胞通過(guò)脫分化、重編程等過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)閿M分生組織（root meristemoids）；接著，在起始階段，擬分生組織經(jīng)過(guò)分化，形成半球形的根原基（root primordia）；最后，在表達(dá)階段，進(jìn)行維管束的連接形成具有功能的不定根，其中，起始階段及表達(dá)階段可以統(tǒng)稱為形成階段（formation phase）[6]。側(cè)根發(fā)育的起源主要是臨近導(dǎo)管或者篩管的中柱鞘細(xì)胞，相較而言，不定根的發(fā)育起源較為復(fù)雜，可以從莖部的中柱鞘細(xì)胞、維管束細(xì)胞、韌皮部和形成層等多種組織上發(fā)育而來(lái)[7]。在擬南芥中的研究表明，發(fā)育程度較低的下胚軸不定根起源于中柱鞘細(xì)胞，較成熟下胚軸、不含下胚軸的莖段及葉柄中的不定根則起源于鄰近維管束的組織[1,6]。Katarzyna等[7]通過(guò)免疫化學(xué)分析的方法在番茄中的相關(guān)研究表明，不定根和側(cè)根的起源細(xì)胞不同，且化學(xué)組分也表現(xiàn)出差異。

2 植物激素在不定根形成過(guò)程中的作用

植物激素包括生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素、乙烯、赤霉素、茉莉酸等，這些小分子化合物在植物的生根、發(fā)芽、成花、性別決定及果實(shí)發(fā)育等過(guò)程中起到重要的調(diào)控作用[8]。近年來(lái)的研究表明各類植物激素之間在不定根發(fā)育過(guò)程中會(huì)互相影響，形成一個(gè)復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[9]。其中生長(zhǎng)素和乙烯在不定根形成過(guò)程中起到較為重要的作用。

2.1 生長(zhǎng)素

植物生長(zhǎng)素在植物細(xì)胞的分裂、伸長(zhǎng)及分化過(guò)程中起到十分重要的作用。在黃瓜中的研究表明，不定根形成涉及到分生組織的發(fā)育，生長(zhǎng)素IAA可以通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞的去分化及頂端分生組織的重建過(guò)程來(lái)啟動(dòng)不定根分生組織的發(fā)育[10]。生長(zhǎng)素在不定根發(fā)育的不同時(shí)期起到的作用也有所差異，在不定根的誘導(dǎo)階段，IAA起到促進(jìn)作用，而在后期不定根的形成階段，高濃度的IAA會(huì)抑制不定根的發(fā)育[11]。

IAA和IBA是在不定根的誘導(dǎo)上應(yīng)用較多的兩種生長(zhǎng)素[12]。盡管IAA在自然界中最為豐富，并且首先應(yīng)用于誘導(dǎo)植物組織不定根的形成，但是相較而言，由于IBA在光照誘導(dǎo)的情況下較難被降解，因此IBA在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用更為廣泛。另外，IAA和IBA分別具有其各自的運(yùn)輸載體，PIN2、PIN7、ABCB1以及ABCB19是IAA特異的外流蛋白載體；PDR家族蛋白ABCG36和ABCG37是IBA特異的外流蛋白載體[13]。

生長(zhǎng)素的定向運(yùn)輸在不定根的形成過(guò)程中起到十分重要的作用[12]。植物頂端分生組織是內(nèi)源生長(zhǎng)素的主要合成部位，當(dāng)脅迫發(fā)生時(shí)，生長(zhǎng)素運(yùn)輸載體 PINs及 ABCB19（ATP-bindingcassettetypeB19）等會(huì)在維管組織及創(chuàng)傷部位附近的中柱鞘細(xì)胞的細(xì)胞膜上富集，將生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)至不定根形成區(qū)域，誘導(dǎo)不定根的形成[14]。在黃瓜及番茄中的研究表明，通過(guò)將子葉去除或外源施用生長(zhǎng)素運(yùn)輸?shù)鞍滓种苿?NPA（Naphthylphthalamic acid），由于生長(zhǎng)素不能正常合成或不能被正常運(yùn)輸?shù)讲欢ǜ男纬刹课唬虼藭?huì)對(duì)不定根的形成有強(qiáng)烈抑制作用[15]。

2.2 乙烯

乙烯作為一種信號(hào)分子，其合成過(guò)程受到脅迫因素的強(qiáng)烈誘導(dǎo)。在不定根的形成過(guò)程中，乙烯信號(hào)途徑扮演著十分重要的角色，主要通過(guò)對(duì)其下游響應(yīng)因子 ERFs（ethylene responsive transcription factors）和下游基因的調(diào)節(jié)來(lái)完成。當(dāng)植物組織受到脅迫之后，會(huì)啟動(dòng)乙烯合成相關(guān)基因ACSs（aminocyclopropane synthase）及ACOs（aminocyclopropane oxidase）的大量表達(dá)[12]。在不定根的形成過(guò)程中，乙烯的作用比較復(fù)雜，與生長(zhǎng)素在不定根的形成過(guò)程中起到的決定性作用不同，乙烯主要起到刺激和影響不定根發(fā)育的效果。在不定根早期的誘導(dǎo)階段和后期的形成階段，乙烯起到一定的促進(jìn)作用，但是在后期的誘導(dǎo)階段，乙烯則是一種抑制因子[6]。

Negi等[15]利用番茄的乙烯信號(hào)途徑相關(guān)突變體研究了乙烯在番茄側(cè)根和不定根形成過(guò)程中所起的作用，結(jié)果表明，乙烯在側(cè)根的形成過(guò)程中是一個(gè)負(fù)調(diào)節(jié)因子，而在不定根形成過(guò)程中是一個(gè)正調(diào)節(jié)因子，且這種作用是通過(guò)調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素的運(yùn)輸來(lái)完成的。在水淹誘導(dǎo)番茄不定根的形成過(guò)程中，通過(guò)利用乙烯合成抑制劑氨氧乙烯基甘氨酸以及生長(zhǎng)素運(yùn)輸抑制劑NPA處理之后，不定根的形成數(shù)量大大減少，且生長(zhǎng)素的運(yùn)輸會(huì)受到乙烯合成的影響[16]。說(shuō)明在番茄不定根形成過(guò)程中，乙烯和生長(zhǎng)素可以相互影響，起到共同調(diào)節(jié)的效果。

3 下游信號(hào)分子在不定根形成過(guò)程中的作用

植物激素下游信號(hào)分子在不定根形成過(guò)程中也起到十分關(guān)鍵的作用，其中一氧化氮（nitric oxide，NO）、過(guò)氧化氫（H2O2）等信號(hào)分子在植物的多種生理活動(dòng)中都具有重要的調(diào)節(jié)作用。

3.1 NO

NO作為信號(hào)分子首先在動(dòng)物中被發(fā)現(xiàn)，之后在植物中的研究表明，其在植物生長(zhǎng)發(fā)育的許多關(guān)鍵過(guò)程中都是非常重要的調(diào)節(jié)因子，其中包括植物種子的萌發(fā)、細(xì)胞的程序性死亡、植物的抗病防御反應(yīng)、植物氣孔閉合的調(diào)節(jié)以及對(duì)各種脅迫的響應(yīng)等[17-18]。在根的器官發(fā)生過(guò)程中，NO也起到了十分重要的作用[19]。在黃瓜中，生長(zhǎng)素水平降低后不定根形成能力會(huì)大大減弱，但通過(guò)NO供體處理之后，不定根就會(huì)恢復(fù)生長(zhǎng)，說(shuō)明NO在黃瓜不定根形成的調(diào)節(jié)過(guò)程中處于生長(zhǎng)素的下游。另外有研究表明，NO在黃瓜中對(duì)不定根形成的調(diào)控是通過(guò)調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶 MAPK（mitogen-activated protein kinase cascade）信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)、鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)cGMP途徑以及細(xì)胞周期激活途徑來(lái)完成的。絲裂原活化蛋白激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)是植物脅迫反應(yīng)中的重要信號(hào)途徑，與細(xì)胞周期及發(fā)育過(guò)程相關(guān)，Pagnussat等[10]的研究表明生長(zhǎng)素及NO可能通過(guò)MAPK信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)調(diào)節(jié)細(xì)胞有絲分裂過(guò)程。在動(dòng)物細(xì)胞中，cGMP是NO信號(hào)途徑中的一種重要元件，在植物細(xì)胞中，cGMP途徑與細(xì)胞的擴(kuò)大及分裂相關(guān)，在黃瓜中的研究表明，NO對(duì)不定根發(fā)育的調(diào)節(jié)是通過(guò)cGMP途徑來(lái)完成的[20]。另外，近期研究表明，在不定根形成過(guò)程中細(xì)胞周期相關(guān)基因的表達(dá)會(huì)受到NO的影響[21]。

3.2 過(guò)氧化氫

在植物中過(guò)氧化氫（H2O2）是新陳代謝過(guò)程的副產(chǎn)物，且是一種十分重要的脅迫相關(guān)信號(hào)分子，在植物中參與多種生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，與植物中其他信號(hào)分子相互影響，共同調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的分裂和分化過(guò)程以及植物細(xì)胞的抗氧化機(jī)制[22]。目前研究表明，H2O2在黃瓜中可以促進(jìn)不定根的形成，當(dāng)黃瓜主根被切除之后，H2O2就會(huì)在植株體內(nèi)大量產(chǎn)生，參與生長(zhǎng)素介導(dǎo)的不定根形成過(guò)程，且通過(guò)外源H2O2處理黃瓜去根幼苗之后的外植體會(huì)明顯增加不定根形成的數(shù)目，說(shuō)明H2O2在黃瓜不定根形成和發(fā)育過(guò)程中是一種重要的信號(hào)分子。Terrile等[23]的研究數(shù)據(jù)顯示，H2O2對(duì)不定根形成的影響則可以通過(guò)參與cGMP鳥(niǎo)苷酸環(huán)化酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)及促分裂原活化激酶MAPK級(jí)聯(lián)反應(yīng)來(lái)完成。

3.3 褪黑素

(三)規(guī)劃落后，抗震、抗戰(zhàn)遺跡大部分滅失。1976年7月28日的唐山大地震，造成市區(qū)24萬(wàn)人的傷死，是20世紀(jì)世界地震史最慘重的傷亡。唐山毀于地震，但也因抗震精神而被世人所關(guān)注，唐山抗震紀(jì)念館以及新建的地震遺址公園距離相距較遠(yuǎn)，分布較凌亂，館內(nèi)更多地展示地震圖片場(chǎng)景，缺乏實(shí)景和整體效果，尤其是那些留存至今的震前建筑遺跡，大多“養(yǎng)在深閨人未識(shí)”，沒(méi)有得到有關(guān)部門重視，更沒(méi)有列入旅游參觀項(xiàng)目。此外，唐山是冀東大暴動(dòng)的發(fā)生地，當(dāng)年，這一帶反抗日本侵略者抗戰(zhàn)遺跡多且集中，由于疏于管理，如日軍侵華時(shí)期所建的軍用機(jī)場(chǎng)等多處遺跡被毀，原機(jī)場(chǎng)周邊各村僅存的幾座“飛機(jī)庫(kù)”周圍更是雜草叢生、亂堆亂放嚴(yán)重。

褪黑素是吲哚類色胺物質(zhì)，作為一種十分重要的動(dòng)物激素，它可以直接清除動(dòng)物體內(nèi)多種形態(tài)的自由基，具有延緩衰老和提高機(jī)體免疫力的作用。近年來(lái)在植物中的研究表明，褪黑素在植物界廣泛存在，與植物的光合作用、器官發(fā)育、根系統(tǒng)形態(tài)構(gòu)成、衰老、防御機(jī)制和脅迫響應(yīng)機(jī)制相關(guān)，但褪黑素在蔬菜不定根形成過(guò)程中的作用鮮有報(bào)道。近期在番茄中的研究表明，褪黑素可以通過(guò)調(diào)節(jié)內(nèi)源NO的富集以及生長(zhǎng)素的轉(zhuǎn)運(yùn)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)影響不定根的形成。褪黑素啟動(dòng)NO的富集是通過(guò)下調(diào)cGMP途徑中關(guān)鍵基因GSNOR的表達(dá)來(lái)完成的。在番茄中的外源褪黑素處理試驗(yàn)表明，褪黑素對(duì)不定根形成的影響具有劑量效應(yīng)，低濃度褪黑素促進(jìn)不定根的形成，高濃度褪黑素則起到相反的效果[24]。

4 不定根形成相關(guān)蛋白組學(xué)分析

隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展，轉(zhuǎn)錄組、蛋白組、代謝組等相關(guān)技術(shù)日益成熟。通過(guò)將組學(xué)數(shù)據(jù)應(yīng)用到植物生長(zhǎng)發(fā)育分子調(diào)控機(jī)制的研究中，可以極大的促進(jìn)對(duì)于植物發(fā)育過(guò)程中關(guān)鍵調(diào)控因子的挖掘工作。

近年來(lái)，在不定根發(fā)育調(diào)控機(jī)制的相關(guān)研究中，細(xì)胞組織水平相關(guān)研究數(shù)據(jù)和組學(xué)數(shù)據(jù)的結(jié)合已逐漸成為新的研究方向。Xu等[25]通過(guò)蛋白組學(xué)的手段分析了具有不同不定根形成能力的黃瓜品系的蛋白表達(dá)情況，研究結(jié)果表明，在水淹脅迫下，不同黃瓜品系顯示出不同的不定根形成能力。蛋白質(zhì)組學(xué)分析結(jié)果表明，在鑒定的5 508種蛋白中，有146種蛋白表現(xiàn)出明顯差異。其中與乙烯釋放、減少氧化損傷、儲(chǔ)存脂類調(diào)節(jié)、細(xì)胞分裂、細(xì)胞分化等過(guò)程相關(guān)的乙醇脫氫酶、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶、過(guò)氧化物酶、60S核糖體蛋白、組蛋白脫乙酰酶等蛋白的含量顯著高于不定根形成能力較弱的品系‘Pepino’。該研究為黃瓜水淹脅迫下不定根形成機(jī)制的探索提供了豐富的信息資源和技術(shù)支持。

5 小結(jié)與展望

筆者綜述了植物激素、下游信號(hào)分子、基因和蛋白等因素在蔬菜作物不定根形成過(guò)程中的響應(yīng)及所起到的作用。要進(jìn)一步探明蔬菜不定根發(fā)生發(fā)育的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，需要結(jié)合分子生物學(xué)、生物信息學(xué)及遺傳學(xué)，通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)等手段分析不定根發(fā)育相關(guān)的調(diào)控因子，尤其是上游調(diào)控因子，明確不定根形成及發(fā)育的調(diào)控機(jī)制，創(chuàng)造并篩選模式植物中不定根發(fā)育異常突變體，豐富不定根發(fā)育理論。總之，蔬菜不定根形成的相關(guān)研究已經(jīng)深入到分子水平，雖然取得了一些研究進(jìn)展，但整體分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)仍存在許多疑問(wèn)，未來(lái)的研究希望通過(guò)更多相關(guān)基因和蛋白功能的分析，全面深入地展開(kāi)蔬菜作物不定根形成分子調(diào)控機(jī)制的相關(guān)研究。

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Research advances on the regulation mechanism of adventitious root formation in vegetable

MA Kai1,YANG Fan1,CAI Yuxin2,TANG Yanling1,NIU Lili1,SHI Xuanjie1

(1.Institute of Horticulture,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,Henan,China;2.Henan Province Qingfa Seed Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,Henan,China)

The formation of adventitious root is a complex biological process which is effected by the plant genotype,physiological condition and environmental factors.Research on the formation of adventitious root have theoretical significance on the development mechanism of adventitious root and obvious application value on the commercial plant seedlings.It has been reported that the accumulation of auxin plays an important role in the formation of adventitious roots.The effects of phytohormone,downstreammolecularsignal,relatedgeneandproteininvegetableadventitiousrootformationanddevelopment is reviewed in this paper.

Vegetable;Adventitious root;Plant hormonal;Molecular regulation

2016-12-28；

2017-02-21

河南省大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系耕作栽培崗位專家項(xiàng)目（S2010-03-G05）；河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科研發(fā)展專項(xiàng)資金項(xiàng)目（YCY20167815）；河南省博士后科研自主項(xiàng)目（2015106）；河南省科技開(kāi)放合作計(jì)劃項(xiàng)目（172106000046；152106000030）

馬 凱，男，助理研究員，主要從事蔬菜工廠化育苗技術(shù)相關(guān)研究。E-mail：mkbioenergy@163.com

史宣杰，男，研究員，主要從事蔬菜栽培及果類蔬菜遺傳育種研究。E-mail：13803840196@139.com