植物生長調節劑對表皮毛發育的調控作用研究進展

鄭 萍，賈艷麗，于華麗，劉一華

（臨沂大學農林科學學院，山東臨沂 256000）

表皮毛又稱毛狀體，主要分布于植物的葉、莖、根、花等器官的表面，生長在植物表皮組織，由植物表皮細胞發育而來[1]。表皮毛形態萬千，呈特殊的凸起毛狀體細胞結構，周圍的細胞則發育成規則的表皮細胞[2]。表皮毛既可以保護植物抵抗生物脅迫和外界環境脅迫，又可以應用于醫藥等行業。近年來對表皮毛生長發育調控的研究仍在不斷深入[3]。表皮毛細胞的形態、大小各不相同，受多種基因及不同植物生長調節劑的共同作用，其共同參與調控表皮毛的形狀、大小，引起空間結構的變化[4]。本文綜合了多年來植物生長調節劑對表皮毛生長發育調控的研究結果，分析不同植物生長調節劑對表皮毛的影響，以期為表皮毛發育的相關研究提供參考。

1 表皮毛的分類及功能

植物表皮毛的形態類型豐富，不同結構類型的表皮毛在植物體生長發育過程中所發揮的作用各不相同。根據其是否具有分泌能力可將表皮毛分為分泌腺毛體型和非分泌腺毛體型兩種[5]。分泌腺毛體通常是指有腺體，能夠產生生物堿、芳香油、尼古丁等物質防止害蟲咬食，還能夠參與調控植物的生長發育，從而影響植物的正常生長。非分泌腺毛體是指不具有腺體的表皮附屬物，無法分泌和合成代謝物質，主要存在于大多數被子植物及部分裸子植物和苔蘚植物中，在預防霜凍、阻礙氣流、減少蒸騰、抵抗干旱等方面具有重要作用[6]。此外，根據細胞的組成單位可將表皮毛分為單細胞表皮毛和多細胞表皮毛；也可以按照表皮毛的形狀特征分為簇狀、輪狀、分叉狀等[7]。

表皮毛的一些新功能也在逐步得到證實，如在經外界損傷后的萬壽菊中發現，損傷后的萬壽菊非分泌腺毛體與分泌腺毛體相比，其抵抗環境脅迫的能力有所提高；在南瓜中發現，南瓜的非腺毛能夠參與葉柄的運動，影響植物體內水分含量；存在于番茄腺體中的揮發性醛類物質能夠參與抵抗植食性昆蟲的侵食，提升番茄抵抗外界環境脅迫的能力[8]。

2 表皮毛生長發育的分子調控機制

植物表皮毛的研究主要從模式植物擬南芥入手。擬南芥特定基因可以參與調控表皮毛的生長發育、大小和形狀等一系列特征[9]。研究表明，對擬南芥表皮毛發育的分子調控機制有影響的基因主要有：R2R3類的MYB 型轉錄因子GL1、MYB23、MYB82，WD40類重復蛋白TTG1、GL3、EGL3、TT8，MYC1 編碼的bHLH 型轉錄因子，C2H2 鋅指蛋白家族基因GIS、GIS2、GIS3、ZFP5、ZFP6、ZFP8等正調控因子和R3類MYB 轉錄因子CPC、TRY、ETC1、ETC2、ETC3、TCL1、TCL2 負調控因子[10]。這些轉錄因子相互影響、相互作用，共同參與調控表皮毛的生長發育（見圖1）。

圖1 擬南芥表皮毛分子調控機制模型

目前，有兩種模型可以分析表皮毛發育的分子調控機制[11]。1）激活消耗模型：WD40 類蛋白TTG1 能夠在各個細胞之間自由流動，由TTG1與R2R3類MYB轉錄因子GL1、MYB23 和bHLH 類轉錄因子GL3、EGL3 的相互作用，共同形成了一個三聚體復合激活因子MBW，該激活因子能夠直接作用在轉錄因子GL2的上游，從而對表皮毛的生長發育起到正向調控的作用[12]。TRY 等負調控因子能夠在復合體MBW 的調控下向鄰近的非表皮毛細胞移動，影響MBW 復合體的形成，對MBW 的形成有阻礙作用，從而對表皮毛的發育起到抑制作用。2）激活抑制模型：三聚體復合激活因子MBW 對表皮毛生長發育有正向調控作用，使R3MYB 型負調控因子TRY、CPC 得到激活，促進其在各個鄰近的細胞間的活動，使得MYB型正向調控因子如GL1、MYB23 被取代，最后形成無活性的復合體TRY/CPC-GL3/EGL3-TTG1，對表皮毛的形成起到負向調控的作用[13]。

3 調控表皮毛發育的植物生長調節劑

表皮毛的生長發育受多種基因及植物體內源物質的共同調控作用。植物生長調節劑的生物合成途徑和信號傳導貫穿表皮毛生長發育的各個階段[14]。目前已發現赤霉素（GA）、茉莉酸（JA）、細胞分裂素（CK）和水楊酸（SA）等植物生長調節劑能夠在表皮毛的發育過程中起到一定影響[15]。赤霉素、細胞分裂素和茉莉酸對表皮毛的發育具有正向調控的作用，水楊酸對表皮毛生長具有負向調控的作用[16]（見圖2）。

圖2 不同植物生長調節劑對擬南芥表皮毛形成的分子調控機制

3.1 赤霉素

赤霉素（GA）能夠促進植株莖的生長，打破休眠，促進抽芽與開花。最先研究出能夠參與調控擬南芥表皮毛的生長發育和形態建成的植物生長調節劑是赤霉素[15]。研究發現，在影響植物生長發育過程中，SPY 是赤霉素信號通路的負調控因子，赤霉素的合成受其調控，其突變體spy的表皮毛數量呈現增多的趨勢[17]。在赤霉素缺陷突變體gal-3 植株中表皮毛數量表現出較少的趨勢，分支數量也較少，GL1 的表達量下調，而在施加外源赤霉素后，GL1的表達量上調[12]。因此得出，通過外施赤霉素，能夠參與調控表皮毛的形成，對表皮毛的發育起到正向調控的作用[18]。此外，C2H2 鋅指蛋白家族基因中的GIS、GIS2、GIS3、ZFP8、ZFP5和ZFP6基因都可響應外施赤霉素，表達量均上調，對擬南芥主莖花序表皮毛的形成有一定的影響。另有研究發現，赤霉素可參與調控水稻植株的生長發育，OsGA20ox2 基因突變體sdl表現為植株半矮化，是使水稻增產的優質表型[19]；甜瓜中的轉錄因子AaMYB1 可通過赤霉素參與調控其表皮毛的生長發育[20]；西紅柿中的轉錄因子NbGIS 也能夠通過赤霉素參與調控西紅柿表皮毛的發育[21]。此外，對非模式植物黃瓜施加赤霉素，隨著生長調節劑濃度的增加，黃瓜腺毛數量呈現增多的現象[22]。

3.2 細胞分裂素

細胞分裂素（CK）參與細胞分裂，可促進芽分化，影響表皮細胞的形成。研究表明，將人工合成的細胞分裂素處理的擬南芥植株表皮毛與未經處理的植株表皮毛相比，受到人工合成細胞分裂素影響的葉片，表皮毛的數量有所增加，長度變短，表皮毛細胞核內DNA 含量減少。由此得知，細胞分裂素對表皮毛細胞核內DNA 的復制有一定的作用[23]。細胞分裂素與赤霉素之間相互影響、相互作用。細胞分裂素和赤霉素能夠借助擬南芥轉錄因子GIS、ZFP8 和GIS2 整合在一起，相互協調控制表皮毛細胞的生長發育，鋅指蛋白轉錄因子家族基因受到細胞分裂素的影響，也能夠參與調控擬南芥主莖花序表皮毛的形成過程[24]。另有研究發現在非模式植物如棉花中，細胞分裂素在棉花還未開花之前對棉纖維發育能夠起到促進作用，而在棉花開花后能夠抑制棉纖維發育[25]。細胞分裂素也可參與植物對某些病原菌防御反應的調控[26]。

3.3 茉莉酸

研究表明茉莉酸（JA）對促進擬南芥表皮毛的形成也有一定的作用。SCF 復合體亞家族（JAZ）直接與bHLH 型轉錄因子TT8、GL3、EGL3 和R2R3類的MYB 型轉錄因子MYB75、GL1的C末端相互作用，對擬南芥表皮毛復合物MBW 的形成起到抑制作用，因此茉莉酸對表皮毛的生長發育起到抑制作用[27]。此外，擬南芥突變體coil-2與野生型相比，表皮毛數量呈現減少的趨勢。經過茉莉酸處理后，擬南芥野生型植株GL3 和GL1 的表達量有所增加，但在突變體coi1-2植株中表達量低[28]。因此得出，茉莉酸能夠通過作用于表皮毛形成的重要轉錄因子GL3 的上游調控表皮毛的發育。研究發現，青蒿表皮毛的形成也受到茉莉酸的調控，AaJAZ8 能夠抑制正調控因子AaHD1 的活性，從而降低青蒿腺毛的密度[29]。此外，據新研究報道，棉花的轉錄因子GoPGF、CGF3、CGF1 能夠通過茉莉酸調控棉花中棉酚腺體的形成[30]；甜瓜的AaHD1和AaSAP1 也能夠通過茉莉酸參與調控甜瓜表皮毛的發育；西紅柿JAI-1 通過茉莉酸可參與調控其表皮毛的發育[31]。對植物施加茉莉酸甲酯能夠引起植物基因表達的變化，抵御外界環境的不良脅迫，提高次生代謝產物的含量，目前應用于果實保鮮等方面。

3.4 水楊酸

水楊酸（SA）對表皮毛的形成也有一定影響[32]。水楊酸和茉莉酸在表皮毛發育過程中存在相反的交叉效應[33]，水楊酸對表皮毛發育和形成過程具有負作用，能夠降低茉莉酸的效應[34]。通過外施水楊酸，發現擬南芥表皮毛的密度和數量會有所減少，表明水楊酸能夠參與調控表皮毛細胞的形成，對表皮毛發育起到抑制作用[35]。

3.5 其他生長調節劑

研究還發現其他的植物生長調節劑也能參與調控植株體表皮毛發育[36]。生長素（Auxin）是對植物細胞生長發育起到重要作用的生長調節劑，是構成植物向性生長的基礎[37]，西紅柿的轉錄因子SIIAAIS 能夠通過施加生長素參與調控表皮毛生長發育[38]。研究發現，在煙草腺毛中，PIN 的極性分布與生長素的極性運輸能夠直接影響細胞的伸長[39]；外施乙烯也可增加黃瓜表皮毛的分支數量，在棉花中也能夠引起棉花表皮毛分支的擴張[40]；脫落酸（ABA）在機械損傷后的植株體內含量會有所升高，而茉莉酸在從脫落酸的積累到基因轉錄激活的信號傳導過程都能起到一定的作用[41]。

4 展望

表皮毛是保護植物體免受外界環境脅迫的第一道保護墻，是存在于植物表面與外界環境之間的緩沖區[42]。植物體內的各種生長調節劑貫穿于植株生長發育的整個過程，對表皮毛發育過程具有不可替代的調控作用。目前，對植物表皮毛發育的分子調控機制仍在不斷深入研究中[43]。對非模式植物煙草、番茄、黃瓜、甜瓜、水稻、玉米和棉花等的表皮毛也開展了相關機制的研究[44]。目前，植物生長調節劑對表皮毛發育的調控網絡研究仍不完善，是否有其他植物生長調節劑參與調控表皮毛的發育還不得而知，需要更深入的研究。