植物根膨大的研究進展

王柳萍 覃坤堅 趙立春

摘要：根類植物根的發育及膨大直接影響著蔬菜、糧食、藥用植物等的產量，因此了解根膨大的機理對提高各類以采收根為主的作物產量及作用有重要意義。從影響根膨大的環境因素、根膨大過程同化產物的變化、內源激素的變化、相關基因的影響等方面綜述了有關植物根膨大過程的研究，為植物根膨大機理研究特別是根類藥用植物藥用部位膨大的相關研究提供參考。

關鍵詞：植物根;膨大;內源激素;基因

Abstract： The development and expansion of roots directly affect the yield of vegetables， grain and medicinal plants. Therefore， it is of great significance to understand the mechanism of root expansion for improving the yield and function of various crops mainly for harvesting roots.The environmental factors， the changes of assimilation products， the changes of endogenous hormones， and the effects of related genes in the process of root enlargement were discussed， which could provide reference for the study of the mechanism of root enlargement， especially for the study of the expansion of medicinal parts of root medicinal plants.

Key words：? the root of plant; expansion; endogenous hormones; genes

根不僅是作物吸收水分和養分的重要器官，也是氨基酸、內源激素等微量活性物質合成與轉化的重要器官。根在作物的生長發育過程中起著極為重要的作用，任何作物的穩產高產必須有一個發育良好的根系為基礎。不同品種的根系在不同的環境條件下表現出不同的特點，即表現出各自的根系發育特性。根系研究已經成為進一步提高作物生產力的一個極具潛力的基礎性科研課題[1-3]。根的發育及膨大是一個復雜的過程，受到很多因素的影響和調控，本文綜述了影響植物根膨大的環境因素、根膨大過程同化產物及內源激素的變化、分子研究等方面，為根膨大機理的闡釋及將來根膨大技術的應用提供參考依據。

1 影響植物根膨大的環境因素

植物根系的特征不僅受基因型控制，而且也受物理、化學和生物等外界因素影響。如溫度、光照、水分、氣體、肥料、礦物質、重金屬等對植物根的膨大均起著重要作用。合適的溫度有利于植物根的內部形成層活動，同時有利于塊根形成。若環境溫度過高，則植物根發育及形成緩慢;環境溫度過低，則植物根會生長停滯。晝夜溫差大對植物根生長起促進作用[4]。光照時數的增加有利于地上部分光合作用的進行，從而運輸更多的光合產物供地下部分根的膨大發育。因此植物的生長發育需要合適的光照強度。光照強度過高會抑制植株的生長，如夏天過高的光強會刺激葉片氣孔的關閉從而影響光呼吸作用的順利進行，導致同化物的合成受阻，不利于根的發育與形成。此外，根形成同樣需要適宜的土壤含水量。土壤含水量適宜，則根形指數和根冠比較大;土壤水分過少，根膨大受阻，且畸形根的發生率大為增加;而含水量過多，根際周圍氧氣減少，也會抑制根系的正常發育[5]。土壤礦物質也顯著影響著根的發育。研究發現，堆肥可使不同處理間人參皂苷存在差異，其中根鐵含量與總人參皂苷含量呈強相關，總人參皂苷含量與根產量呈負相關[6]。以上均表明外部環境對根的生長及發育有顯著的影響。

2 植物根膨大過程中同化產物變化

植物根膨大的過程伴隨著各種同化產物的變化，如糖類、淀粉、纖維素等含量的多少標志著各類作物產量的高低[7]。據報道，甘薯的薯塊膨大期的抗氧化酶系統、可溶性糖含量、光合系統之間存在顯著差異[8]。百合鱗莖和新鱗莖中淀粉含量始終高于莖葉和根，苗后期根系中還原糖含量幾乎始終呈上升趨勢[9]。而隨著空心蓮子草不定根的根直徑不斷增加，可溶性蛋白質含量上升，可溶性總糖和蔗糖含量也急劇上升并保持在較高含量水平，淀粉含量低且變化不大。不同膨大時期，蔗糖占可溶性總糖的比例均較高，因此，可溶性蛋白質含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量與空心蓮子草宿根的主要生長指標均呈極顯著正相關關系[10]。但在蘿卜根中，同化產物與鄰近細胞的數量與細胞大小的關系較小[11]。

3 植物根膨大過程中內源激素的變化

植物的生長發育、器官的形態建成、性狀的表現都受到內源激素的調控。植物內源激素在植物體內含量雖少，但對植物生長發育卻起著重要作用，它們的生理機制比較復雜[12-15]。

目前，常見的植物內源激素主要包括生長素（IAA）、赤霉素（GA）、細胞分裂素（CTK、ZT、ZR、DHZR）、脫落酸（ABA）、乙烯（ETH）、茉莉酸甲酯（JA）、水楊酸（SA）等幾大類。然而，不同植物中內源激素的關鍵作用不盡相同。有關內源激素對植物根膨大的影響在甘薯[16]、人參榕[17]、地黃[18]、牛大力[19]、麥冬[20]、胡蘿卜[21，22]、蓮藕[23]等植物上已有研究報道。

各種內源激素含量與根的膨大情況有一定的關聯性，它們共同調節根的發育及膨大過程，雖然有的內源激素會呈現出先增后減再增的趨勢，但總的來說，內源激素的含量與根膨大發育呈正相關的關系。如不同基因型甘薯塊根中的內源激素含量變化對塊根形成和膨大有顯著影響。塊根形成前后及塊根膨大中期和高峰期，其干重與塊根ABA、ZR和DHZR含量之間呈顯著或極顯著正相關，ZR、DHZR和ABA 含量的高低及比例在不定根能否轉化形成塊根及其塊根的膨大速率方面也起著關鍵性作用。在塊根發育的不同階段，大、中、小塊根的內源激素含量差異顯著。塊根中的次生形成層的活動是決定塊根迅速膨大的關鍵，其活動旺盛與否可能與 IAA、ZR、DHZR 等含量有著密切關系[16]。在人參榕塊根膨大部位和根梢部位中反式玉米素核苷t-ZR的含量顯著高于其他部位，特別是在塊根膨大后期含量最高，玉米素t-Z和反式玉米素核苷t-ZR的含量都隨著塊根的膨大呈上升趨勢，其中t-Z含量在塊根形成初期增長迅速，后期逐漸緩慢，t-ZR含量在塊根膨大初期緩慢增長，后期增長迅速[17]。在試管地黃形成過程中IAA、GA3、ABA和JA的含量存在動態變化，但基本呈上升趨勢。地黃不定根在轉苗初期，膨大現象較為明顯，而到后期，其直徑膨大則遠遠小于根尖后端的伸長，這有可能是多種激素共同作用的結果[18]。牛大力體內的內源激素含量與其根膨大程度呈正相關關系。牛大力中具有膨大根且側根數量多的植株，其根和葉片的內源激素GA、ZR、IAA的含量較高，且有顯著差異[19]。在麥冬塊根發育的過程中，各激素的含量和變化趨勢不同。GA和ZR含量和變化趨勢相同，隨著塊根的膨大逐漸升高，但IAA的含量呈現出先升高后降低的趨勢，而ABA逐漸降低[20]。在胡蘿卜中，內源激素對肉質根的“庫建結構”起重要調控作用，并且通過調控肉質根的庫活性來促進高原夏季胡蘿卜肉質根的膨大。高原夏季胡蘿卜肉質根干重與 GA3含量極顯著或顯著正相關，與 IAA、IPA 含量極顯著或顯著負相關;IAA 和 GA4含量與肉質根干鮮重比值極顯著正相關，而 IAA、GA4、ABA、GA3、IPA、DHZR 含量與肉質根的庫活性極顯著正相關[22]。在3個蓮藕主栽品種的根狀莖膨大過程中，各種不同的內源激素在蓮藕根膨大的不同階段發揮作用。玉米素（ZT）在1節期和3節期的第1節段含量最高;GA3含量在1節期即快速上升，IAA和SA則在2節期后才快速升高，GA3、 IAA和SA在3節期均達最大值;在膨大過程中IAA和SA含量均呈極顯著正相關;ABA含量在3節期的第1節段最高，第2節段最低;成熟期大幅升高[23]。以上報道均表明各種內源激素的含量及相對比例對根的膨大有顯著影響。

4 植物根膨大過程中的分子研究

隨著基因組時代的到來，轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等各種組學技術在揭示植物生長與發育規律中發揮著越來越重要的作用。現有研究發現酶的變化及基因的表達顯著影響了植物膨大根的膨大[24]，其中木質素和淀粉合成及代謝相關的基因變化對植物根膨大影響明顯[25-27]，并在調節根及根莖發育中有重要作用[28]。

4.1 與植物內源激素相關的基因

人類在研究與植物根膨大相關的基因表達方面取得較大成果。在人參榕塊根中，以Actin1基因作為其他目的基因的內參基因，發現細胞分裂素合成酶IPT基因隨著塊根的膨大，IPT的轉錄水平呈整體上升趨勢，而細胞分裂素水解酶CKX基因的轉錄水平呈先下降后上升的趨勢，在塊根膨大初期下降，在塊根膨大后期逐漸上升，從而對細胞分裂素的積累有一定的影響，間接影響著根的膨大[17]。

脂氧合酶GhLOX1可能對唐菖蒲球莖的形成及膨大具有促進作用。唐菖蒲球莖中GhLOX1的表達水平及活性、內源茉莉酸甲酯MJ 含量以及球莖的鮮樣質量與體積均隨著 MJ 濃度的增加而逐漸提高。促進劑MJ和抑制劑SHAM都顯著影響了唐菖蒲脂氧合酶基因GhLOX1的表達，MJ和SHAM 有可能是通過影響GhLOX1的表達干預了LOX 的活性，從而影響了JAs 或JA 類似化合物的生物合成，并且最終影響了唐菖蒲球莖的膨大。因此，在球莖的形成過程中，LOX 可能啟動調節細胞生長的氧化油脂的合成，控制塊莖的生長和發育[29]。

余如剛[21]在研究胡蘿卜的過程中鑒定得到614條差異表達轉錄本，分別參與了色氨酸代謝、半胱氨酸和蛋氨酸代謝、玉米素合成、類胡蘿卜素合成、油菜素類固醇合成等8條植物激素信號轉導途徑。這些差異轉錄本被分別匹配到AUX/IAA、TIRI、ARFs、CH3和SAUR等植物信號轉導途徑相關的基因家族，參與色氨酸代謝、玉米素合成和油菜素內酯合成等植物激素信號相關基因，這些植物激素信號相關基因均可通過影響細胞分裂和膨大而對蘿卜肉質直根膨大發揮積極作用。

4.2 與木質素形成相關的基因

木質素合成與儲藏根發育可能存在一定的內在關系。據報道，在紫薯中表達玉米轉錄因子Lc會影響儲藏根的發育，形成類似牛蒡根的儲藏根，薯型細長，但產量及淀粉含量下降。進一步基因表達分析表明轉基因植株儲藏根中PAL表達顯著上調，木質素合成基因4CL、C4H、CAD的表達顯著提升;木質素染色及含量測定確證了儲藏根木質素的沉積。轉基因植株全株β-amylase的酶活明顯提高，淀粉降解加速[25-27]。

在甘薯的貯藏根中，參與分生組織或形成層發育和淀粉生物合成的基因表達水平顯著上調。多種植物激素及其生物合成相關基因在須根和貯藏根之間表現出差異表達。在貯藏根的起始和發育過程中，大量轉錄因子的表達存在差異，且在轉錄組和蛋白質組數據之間發現不一致的基因表達，這表明在貯藏根的發育過程中轉錄后的調節活性[30]發生變化。如蘿卜中蔗糖磷酸合成酶基因RsSPSl在肉質根發育的不同時期、不同部位中都有表達，但表達量有明顯差異，其中，在膨大后期木質部中表達量明顯高于其他時期和部位，可能與根部木質化程度及根膨大相關[31]。

4.3 與蔗糖及淀粉代謝相關的基因

余如剛[21]在蘿卜肉質直根轉錄組中篩選出參與蔗糖代謝的103個Unigenes;其中蔗糖合成酶、轉化酶、蔗糖磷酸合成酶、果糖激酶和己糖激酶是匹配到Unigene數量最高的酶。與此同時，通過構建蘿卜肉質直根3個不同時期sRNA文庫，分離鑒定到85個已知和13個新型肉質直根膨大相關miRNA及191個靶基因，且部分差異表達miRNA的靶向基因如NF-YA2、bHLH74和EXPA9等在胡蘿卜肉質直根膨大過程中發揮重要作用。

而在不同階段甘藍塊根的mRNA和miRNA表達譜中，大量的DEGs和DEMs參與了塊根的膨大發育。由DEG分析可知DEGs和DEMs代謝可能是根膨大過程的主要途徑，植物激素信號轉導通路在根膨大的調控中起著更重要的作用，尤其淀粉和蔗糖代謝對次生膨大過程有著重要重要。基于DEM分析，miR156a、miR157a和miR172a在根發育中發揮重要作用。這些發現為更深入地了解甘藍塊根發育的分子機制奠定了基礎[32]。

程立寶等[33，34]歸納并分析出86 個可能與蓮藕根狀莖膨大相關基因，分別為 35 個激素誘導蛋白基因、4 個光誘導蛋白（MADS-BOX）基因、11個根狀莖貯藏蛋白基因（Patatin）、35 個與淀粉代謝相關基因以及 1 個與根狀莖形成相關基因。并發現蓮藕膨大過程中LrGBSS、LrSBEI、LrSBEII和 LrSBEIII 4個與蓮藕根狀莖淀粉合成相關基因的表達大幅度增加，且與蓮藕根狀莖膨大過程中淀粉含量的增加、淀粉顆粒的增多、變大同步，表明這4個基因與蓮藕根狀莖淀粉的形成和積累緊密相關，對蓮藕根狀莖的膨大起到關鍵性作用。

4.4 其他分子

焦連魁[20]從麥冬中篩選得到了980個目標差異基因及多個可能與塊根發育相關的基因，其中包括肌動蛋白、果膠甲酯酶、微管蛋白等編碼基因。而在蘿卜肉質根發育不同時期，有25個蛋白點表現出明顯差異，如NADH脫氫酶亞基、TIFY、翻譯調控蛋白、鈣依賴蛋白激酶29、18S核糖體RNA、水通道蛋白等，分別參與了轉錄調控、信號轉導、普通新陳代謝、轉運通道、防衛與脅迫反應、蛋白質代謝等過程[31]。

在不同膨大階段蘿卜主根識別出的98種不同表達的miRNAs，可能在其主根膨大過程中發揮重要的調控作用，并促進蘿卜主根的基因改良。它們的目標編碼轉錄因子和其他功能蛋白都參與了蘿卜主根膨大[35]。在胡蘿卜根中也鑒定出30個與根膨大相關的蛋白和基因，并發現在根旺盛生長期，這些膨大基因的表達顯著上調[36]。

5 問題與展望

以根類為主要作用部位的作物在中國農作物和藥材中占了很大一部分，其中糧食蔬菜包括甘薯、木薯、山藥、馬鈴薯、蘿卜、蓮藕等，藥用植物包括太子參、人參、西洋參、麥冬、天麻、黨參、地黃等。因此，以根類為主要作用部位的植物對中國糧食、用藥安全以及社會經濟發展有著重要作用，研究各種根類植物塊根的發育與膨大關系有著深遠的意義。目前研究主要集中在內源激素含量對植物根發育、膨大影響方面，植物內源激素對植物生長發育起著重要作用，很多學者通過人為施加植物生長調節劑，干預植物塊根發育取得了一定的成果[37-42]。

與糧食蔬菜等塊莖類作物相比，對藥用植物塊莖的發育及膨大的研究從深度與廣度上都十分欠缺，僅有部分藥用植物有相關的研究報道，且僅限于各種內源激素以及生長調節劑對藥用植物塊根膨大發育的影響[43-47]。應用各種內源激素及生長調節劑雖能達到提高藥用部位產量的目的，但伴隨著產量提高也帶來一些問題，如植物生長調節劑的使用可能會對環境和藥用植物的次生代謝產物有影響。近年來，隨著基因組時代的到來，轉錄組學、蛋白質組學和代謝組學等各種組學技術在揭示植物生長與發育規律中發揮著越來越重要的作用。從植物本身出發，運用各種組學技術，找到控制藥用植物內源激素含量的基因，通過控制基因而控制各種酶來調控藥用植物的內源激素含量，達到提高藥用部位產量的目的，為促進中藥健康產業的發展奠定基礎。中國糧食、用藥安全和社會經濟發展也得到了保障。但這些都需進一步開展研究。

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