不定根發生的形態學和生理學研究進展

高玉青 王文成

（海陽市果業發展服務中心，山東海陽 265100）

推廣優良的無性系砧木是提高果樹良種化的重要途徑，不定根的發生作為植物無性繁殖的重要方式，具有繁殖系數高、周期較短、保持母株優良性狀等諸多優點，是集約化生產和實現高產、優質的重要手段[1]。多數果樹不定根發生較為困難，因此深入探究果樹不定根發生機制，采取措施克服不定根發生困難的問題，對于促進優良品種的快速繁殖，實現果樹產業提質增效，具有重要的實踐意義。

不定根的形成是一種脅迫適應機制，園藝植物的扦插、壓條等技術的應用都依賴于不定根的正常形成。基因型、植物的生理狀態、激素水平、蛋白含量及外界環境刺激等因素都會影響不定根的形成和發育。近年來，對植物不定根發生發育調控機制的相關研究逐漸增多并成為研究熱點。本文結合當前國內外研究，對不定根發生過程形態學、生理生化等方面進行綜述，以期為果樹無性繁殖提供一定的理論參考。

1 不定根發生的形態學研究進展

形態學觀測是不定根發生研究的基礎，主要以不定根發生、生長特征的解剖學觀察為主，目前主要從愈傷組織的發生發育、不定根原始體的產生和不定根生長發育等方面展開研究[2]。

不定根因發生時間和發生方式不同具有多樣性，按形成時間分為兩種發育類型，一是由潛伏根原基發育成的不定根，即潛伏生根型；二是由離體后需要外界條件誘導的根原基，即誘導生根型[3]。潛伏生根型的不定根由潛伏根原始體發育而來，在外植體莖中產生，一直處于休眠狀態，直到外界條件適宜后根原基才開始發育，如毛白楊、垂柳等。潛伏根原始體發生的位置在不同物種之間存在著顯著的差異，且發生位置不確定。誘導生根型不定根由誘導根原始體發育而來，誘導根原始體需要外界環境的誘導才能產生，此類植物包括榛子、椴樹、板栗、海棠等。根據不定根在外植體上的發生方式不同分為兩類，從皮部形成的不定根稱為皮部根，從愈傷組織處形成的不定根稱為愈傷根[4]。在生產實踐中，經常根據皮部根和愈傷根所占的比例，將不定根劃分為三種類型，一是愈傷部位生根型，即大部分根為愈傷根，基本上不存在皮部根，愈傷部位生根型先在外植體傷口附近形成一層薄壁細胞，薄壁細胞經過分裂分化一系列的細胞活動形成愈傷組織[5]，如榛子、杉木、垂柳、板栗、梅等，此類植物較難生根。二是皮部生根型，即產生的不定根大多為皮部根，不存在愈傷根或者存在的愈傷根很少，其主要特點是根原始體在皮部和髓射線中產生，從皮孔上長出不定根，生根速度快，生根面積大[6]，如側柏、圓柏、黃刺玫、紫杉（嫩枝扦插）、矮紫杉等。三是中間生根型，皮部根和愈傷根數量上無顯著差異，中間生根型的植物較其他兩種生根類型生根更容易[7]，如小葉楊、紫杉（硬枝扦插）、長白落葉松、秤錘樹、紅皮云杉等。

2 不定根發生的生理學研究

2.1 營養物質對不定根發生的影響

不定根發生和發育過程中，外植體中的碳水化合物、氮素化合物是不定根形成的主要物質基礎，也是外植體在生根前維持自身代謝平衡的重要能源[8]。

碳水化合物中的可溶性糖和淀粉在不定根發生過程中起著重要的調控作用，為植物生長發育提供所需要的碳源，為不定根發育提供能量，是不定根發生發育最主要的能量來源[8]。可溶性糖在不定根形成前期大量積累，在不定根起始期和伸長期，外植體內貯存的碳水化合物通過水解酶的活動，被分解利用，為細胞分裂分化和不定根器官形成提供所必需的能量，橄欖、柚木、天竺葵等諸多試驗也有類似現象。淀粉是植物細胞中碳水化合物最普遍的儲藏形式，所有的薄壁細胞都有淀粉粒存在。淀粉為不定根的形成提供能量和碳骨架，當植物體內的可溶性糖含量不足時，淀粉可以轉化為可溶性糖，是植物形成不定根過程中重要的能量來源之一。

氮素化合物中可溶性小分子蛋白與不定根發生密切相關，關系著根原始體的形成[9]。其中可溶性蛋白在不定根形成過程中代謝活躍，為不定根的形成提供充足的物質。有研究表明，興安圓柏中可溶性小分子蛋白能夠激活與生根的相關基因[10]，此外在擬南芥、楸子樹中發現的可溶性小分子蛋白與細胞的分裂分化、愈傷組織的形成、根原基的誘導密切相關。

2.2 酶對不定根發生的影響

過氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、吲哚乙酸氧化酶（IAAO）是目前公認的與不定根發生相關的重要的酶[11]。它們不僅參與植物體內的生理代謝和生化反應，而且在植物器官從頭再生中發揮著建設性的作用。

POD是植物體普遍存在的、活性高的一類酶，它與生長素的氧化有密切關系[12]。在不定根形成過程中，它的活性不斷發生變化，POD含量的變化可以反映不定根發生時期植物體內代謝變化。POD能促進生根的另一原因是可以破壞抑制不定根發生物質[13]。

PPO是一類金屬蛋白酶，它廣泛存在于植物體內，能催化酚類物質和IAA形成一種生根的輔助因子IAA-酚酸復合物[14]，與不定根的形成具有密切的聯系，可以促進桉樹、光葉楮等難生根植物的外植體不定根的發生，在易生根植物的PPO的活性和含量比難生根植物高。通過前人對桉樹的研究，發現PPO在外植體的根原基形成部位活性高，能催化生長素的代謝，促進不定根的發生與發育。

IAAO促進不定根形成是由于它可以降解植物體內IAA的水平，在易生根的植物體內發現IAAO活性高[15]。外植體內的IAAO活性與愈傷組織有必然的聯系，IAAO可以作為判斷愈傷組織形成能力的指標之一，一般情況下愈傷組織在激素誘導下會形成不定根。對榛子、馬尾松、光葉楮、刺槐等植物研究發現，在愈傷組織形成期和根原基誘導期IAAO的活性逐漸升高，在根原基形成時達到最大值，在不定根伸長過程逐漸下降，因此通過IAAO含量的變化可以判斷不定根發育的時期。

2.3 激素調控對不定根發生的影響

影響不定根發生的激素主要包括生長素（Aux）、細胞分裂素（CTK）、脫落酸（ABA）。其中生長素在不定根發生過程中起著關鍵的作用。

生長素中的吲哚乙酸（IAA）、萘乙酸（NAA）等是植物不定根誘導過程中是最常用的激素。扦插時，在枝條上保留一些正在生長的芽或者幼葉，枝條基部會產生愈傷組織和不定根，這是由于芽和葉片中產生的生長素通過極性運輸累積到基部使插條產生不定根[16]，通過外施生長素能使形成層薄壁細胞恢復分裂機能、刺激愈傷組織細胞的分裂與分化、誘導根原基的發生。生根率隨著生長素濃度的升高而增加，但高濃度的生長素對生根也有抑制作用。此外，生長素還能顯著促進植物維管組織的分化，促進愈傷組織與莖的貫通。

細胞分裂素影響細胞的分裂擴展、營養運輸、根端莖端分支等，還能加速根原始體薄壁細胞的快速分裂，進而形成根原基，但細胞分裂素只有在與生長素互相作用的前提下才能表現出來[17]，兩者的相互作用共同控制著愈傷組織向根或者芽的分化。對馬鈴薯、擬南芥等試驗發現，當培養基中CTK/IAA比值高時，愈傷組織分化形成芽；當CTK/IAA比值低時，愈傷組織分化形成根；如果外植體中的生長素和細胞分裂素含量相當，則愈傷組織不分化繼續保持生長。所以，通過調節二者的比例，可誘導愈傷組織產生不定根[18]。在擬南芥中，根據細胞分裂素氧化酶使細胞分裂素失活原理，對細胞分裂素在根中的作用進行反向研究，過表達的細胞分裂素氧化酶的植株根系發達、根系總長度、初生根長度、側生根和不定根數目增加，在細胞分裂素受體突變體中也有類似表現。

通常ABA含量的增加對不定根的發生有抑制作用[19]。在葡萄中ABA含量在根源誘導期含量最低，而在生根后含量會增加。插穗的枝齡越大，ABA含量越高，反之，ABA含量越小。因此，與硬枝扦插相比，嫩枝扦插更容易生根。研究發現，根原基誘導和伸長兩個階段中，ABA與表皮細胞的凋亡密切相關，能夠通過調整代謝網絡，使細胞程序性死亡從而調整不定根發生的速率。此外研究表明，在櫸樹中ABA通過與GA拮抗作用促進不定根的發生[20]。

其它激素如乙烯、多胺、茉莉酸等對不定根的發生也有顯著作用。乙烯在根中與其它激素共同發揮作用，其中乙烯與生長素之間的共同作用是不定根形態發育中的重要因素。乙烯還可誘導插枝不定根的形成，促進根的生長和分化，刺激根毛的大量發生[21]。多胺能調節植物的多種生理活動，促進植物的生長，誘導形成層和維管組織的分化[22]，促進不定根與枝條連接。

2.4 信號傳導對不定根發生的影響

不定根發生的信號傳導主要涉及激素信號傳導和第二信使信號傳導，信號傳導途徑通過胞內信號系統引起一系列生理生化反應。

生長素信號傳導途徑是不定根發生作用中一條重要的途徑。生長素對不定根的促進作用屬于長期效應，外植體中的大部分基因處于抑制狀態，生長素的作用就是通過外界的誘導，活化被抑制的基因，從而轉錄并翻譯出新的蛋白質[23]。當IAA與外植體薄壁細胞中的激素受體蛋白結合后，激活細胞內的Ca2+、IP3、cAMP等第二信使，并將信息轉導至細胞核內，激活與不定根發生相關的基因。研究結果發現，與生長素信號傳導的蛋白受體主要有生長素/吲哚乙酸蛋白(Aux/IAAs)、生長素響應因子(ARFs)、SCFTIR1/AFBS復合體[24]。目前已經從擬南芥、水稻、煙草等植物中發現了Aux/IAA基因。Aux/IAA通過與ARF轉錄因子互作介導生長素響應，直接調控生長素早期響應基因的表達。擬南芥中29個AtAus/IAA大多數與側根或不定根的發育有關；水稻中31個OsIAA基因影響水稻不定根的形態和葉片的形態。SCFTIR1/AFBS復合體是多亞基泛素-蛋白連接酶E3的一種。SCFTIR1能夠解除Aux/IAA蛋白的阻遏，激活ARF蛋白。TIR1是一種生長素受體，在擬南芥中生長素促進TIR1與Aux/IAA結合，隨后Aux/IAA蛋白被泛素化，逐漸降解。T1R1家族成員中的AFB1同樣也具有生長素受體作用，但在擬南芥根中對2，4-D不反應。

在植物體內細胞分裂素響應因子主要分為兩類，一是以負反饋方式對細胞分裂素信號傳導進行抑制，二是介導細胞分裂素相應基因的轉錄激活[25]。研究發現，水稻中存在多個第二類調節因子RR基因，在不定根發育早期，RR2基因在根原基細胞中表達，細胞分裂素對該基因的表達有誘導作用，且WOX11轉錄因子能夠在轉錄水平對該基因進行負調控。WOX11在水稻中通過反饋調控的方式對生長素信號和細胞分裂素信號進行整合，以確保水稻不定根的正常發育。

NO、Ca2+等作為第二信使對生長素的運輸有重要作用。在黃瓜和萬壽菊不定根誘導反應中NO參與IAA信號傳導[26]，在不定根發生中，NO通過激活MAPK級聯反應，從而激活與生長素相關基因，另外通過cGMP依賴途徑，NO直接調控不定根的發生。[Ca2+]cyt的時空變化影響生長素和脫落酸ABA的生理作用，Ca2+作為第二信使，間接參與不定根發生的代謝通路。研究發現在外源激素中加入CaCl2會促進不定根的生長和發育，阻斷Ca2+信號通道后不定根的發育受阻[27]。

3 展望

不定根的形成和發育是果樹重要的無性繁殖方式之一，越來越受到園藝工作者的重視。目前，對不定根發生意義的認識已比較充分，對影響不定根形成的內外因子也有較深入的了解，既有單個作用機理的研究，也有多種協同作用的探討。然而，不定根形成的機理和機制比較復雜，有些方面如各因子之間的相互協同作用、決定生根類型的基因等仍欠缺研究，未來對影響不定根形成的主導因素和機理需要做進一步探討研究。