生長素和細胞分裂素誘導愈傷組織生根的作用機理

林港麗 徐敬 顧家家 陳文榮

摘要 結合目前生命科學的研究進展，對愈傷組織不定根的發生過程及生長素和細胞分裂素在該過程中的相關作用機理進行探究。

關鍵詞：愈傷組，不定根，生長素，細胞分裂素，相互作用

中圖分類號Q-49文獻標志碼E

生長素和細胞分裂素在植物組培中的作用是高中生物教學的重點。浙科版高中生物《必修3·穩態與環境》的“植物激素調節”中，對細胞分裂素的作用有兩段不一致的描述：在“五大類植物激素”的表格中是“影響根的生長和分化”;而在“生長素和細胞分裂素在植物組織培養中的相互作用”中，認為“細胞分裂素太多，只長莖葉不長根”。為此，有不少學生感到疑惑：既然細胞分裂素可影響根的生長和分化，那愈傷組織在高濃度的細胞分裂素中為何不長根呢？因此，下面結合目前生命科學的研究進展，從愈傷組織生根的作用機理入手，探究生長素和細胞分裂素的作用，為學生這一迷思概念的解決提供參考依據。

1愈傷組織不定根的形成機理

植物的根系是由主根、側根、根毛及不定根構成，其中不定根是在植物器官受傷或激素、病原、微生物等外界因素的刺激的作用下，出現在莖或葉上的根，它的發生從根原基的分化開始，表現為植物的再生反應。在植物組織培養中，愈傷組織長出的根也被稱為不定根。

不定根的發生可分為誘導階段、起始階段、模化階段和顯現階段4個過程，如圖1所示。誘導階段是指外植體在生長素的作用下形成愈傷組織，誘導維管原形成層和維管薄壁細胞形成根創始細胞。起始階段指的是根創始細胞經過細胞分裂形成根原基。模化階段指的是根原基繼續分裂，并開始進行功能分區，進而形成根尖分生組織。根尖分生組織是由過渡擴增細胞（一種具有分化潛能的細胞，能夠快速分裂形成各種組織）和位于核心部位的干細胞龕構成的。干細胞龕是集中儲存干細胞的部位，是由位于核心的靜止中心和周圍的初始細胞構成。靜止中心自身很少分裂，但它能夠向初始細胞發出信號。當初始細胞接受信號后，在每次的細胞分裂后，都會有一個維持初始細胞屬性的細胞存在，剩下的成為過渡擴增細胞。顯現階段指的是根尖分生組織通過分裂分化形成根尖各部分結構，接下來快速伸長，最終突破表皮形成不定根。

2 生長素與愈傷組織生根

2.1 生長素促進維管組織分化

生長素在不定根形成過程中的第一個階段——誘導階段中可能起到了促進維管組織分化的作用。對植株特定區域施加生長素后，該區域及其周圍的維管組織更發達，如桃硬枝插條在愈傷組織脫分化形成根的時候，內源生長素的含量大量增多。

2.2 生長素激活轉錄因子WOXll/WOXl2基因表達

生長素可激活維管原形成層細胞和維管薄壁細胞中WOXll和WOXl2這兩種轉錄因子基因的表達。WOXll和WOXl2是WOX轉錄因子家族成員，共同參與維管原形成層及維管薄壁細胞轉變為根創始細胞的過程。此后，根創始細胞進入起始階段逐步形成根原基，此時WOXll和WOXl2逐漸退出表達。

2.3 生長素調控SCR基因表達

生長素能夠調控SCR基因表達，使根原基完成模化階段，形成根尖分生組織。SCR是生長素的響應基因（與根和莖端組織發育相關），能夠調控WOX5基因（干細胞龕的關鍵基因，能調控干細胞龕中靜止中心的分裂與分化）。

3 細胞分裂素與愈傷組織生根

細胞分裂素抑制根尖分生組織的分化，但促進分化以后分生組織的分裂。例如，豌豆根形成的過程中，在根原基還未形成前，其細胞分裂素水平低，而當根原基形成后，細胞分裂素水平上升，以適應細胞分裂的需要;在插條生根時，溶液中加入細胞分裂素，根原基的形成便會被阻止，而未添加細胞分裂素的溶液則能形成不定根。在模化階段，細胞分裂素對根原基分化的抑制是通過抑制與靜止中心活性有關的基因（WOX5、SCR、LAX2）實現的。因此，高生長素硼胞分裂素比例的環境，才能使根原基的靜止中心分裂，進而使得根原基形成根尖分生組織。

4 生長素和細胞分裂素的相互作用與愈傷組織生根

4.1 細胞分裂素抑制生長素向內運輸

生長素和細胞分裂素在誘導愈傷組織生根的過程中相互拮抗。生長素促進根原基分化，細胞分裂素抑制根原基分化。這一過程是細胞分裂素通過基因調控，抑制生長素向內運輸實現的。細胞分裂素能夠激活ARRl基因和ARR2基因。這兩個基因可抑制LAX2基因表達，其產物是生長素運輸蛋白（內向運輸型）。因此，細胞分裂素通過激活ARRl/ARR2，抑制IAX2的表達，從而抑制生長素向內運輸，進而抑制根原基分化。

4.2 生長素抑制細胞分裂素輸出

生長素可抑制細胞分裂素的輸出，創設出靜止中心高生長素低細胞分裂素環境，促進根原基分化。根創始細胞在發育過程中經過一次橫向分裂可形成上部子細胞和下部子細胞，其中上部子細胞為靜止中心的前體，生長素通過調節ARR7和ARRl5基因的轉錄，抑制細胞分裂素的輸出，使得上部細胞的細胞分裂素含量高，而下部子細胞生長素含量高，從而促進根原基的分化。

5研究與展望

由此，最開始的問題可以得到解決——教材中對細胞分裂素作用的表述為“影響根的生長和分化”，其中“影響”一詞在此處的意思可以解釋為在根的生長和分化中起到了作用，這種作用可以是促進，也可以是抑制。縱觀整個愈傷組織生根過程，細胞分裂素與生長素拮抗，抑制維管形成層和維管薄壁細胞的分化，但在顯現階段可促進分生組織的細胞分裂，幫助不定根迅速生長突出表面，形成成熟的不定根。因此，細胞分裂素抑制根的分化但促進根的生長，這一點與愈傷組織在高濃度的細胞分裂素中不生根的現象并不沖突。但教材中“影響”一詞的使用容易造成學生對此處的疑問，需要教師花費時間糾正學生這一迷思概念。植物激素對植物生理的作用是通過調控基因的表達而進行的，其作用是復雜且相互影響的，從1902年德國植物生理學家Haberlandt提出“細胞全能性”開始，一直到1957年Skoog和Miller發現低激動素（一種細胞分裂素的類似物）/生長素比例促進根的發生，此后經過50多年的研究，愈傷組織不定根的形成過程已經明確。然而，不定根誘導過程的分子機理目前仍有待進一步研究。