煙草不定根發生研究進展

周俊成，彭三喜，高煥曄，2*

(1 貴州大學煙草學院，貴州 貴陽 550025；2 貴州省煙草品質研究重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

植物根系可分為定根和不定根，不定根系主要由下胚軸、莖、葉、芽等組織發生形成。其發生形式多樣，一些植物可通過生長調節劑的誘導、機械損傷、洪害以及病原微生物等方式誘導不定根形成[1-2]。不定根會顯著增強植物對營養元素的吸收及干物質的合成與積累[3-5]。Kawase 等[6]發現，淹水初期煙株形成的不定根可取代因缺氧而死亡的初生根系，從而使煙株保持生理功能和活性。根系是物質合成的重要器官[7-8]。黃琰等[9]發現，淹水條件下產生的不定根會取代衰退的主、側根，同時脫氫酶及谷氨酰胺合成酶等相關酶的活性不斷提高，從而提高煙株根系對氨的同化能力和改善煙株的生長協調性。此外，不定根的發生還可加強對植物地上部分的支撐和固定作用。

煙草是我國重要的經濟作物。根系是煙株吸收土壤營養的主要器官，其活躍程度和數量在某種程度上決定著煙株吸收養分的數量[10]。煙草不定根在煙株根系中的吸收和生長能力均比較強，深入研究煙草不定根的形成及調控措施，對烤煙的生長發育和煙葉品質形成具有重要意義[11-12]。

1 不定根的發生組織學

不定根在形態結構上與主根和側根幾乎完全相同，由表皮、皮層、內皮層和中柱鞘等幾部分組成；不定根、主根和側根均有明顯根冠、分生區、伸長區和根毛區等特征[13-14]。不定根發生的調控因子受內部遺傳因子和外部環境信號的共同作用[15]。其發生方式主要有兩種:一是直接從外植體上發生不定根；另一種是先產生愈傷組織，再通過愈傷組織形成擬分生組織形成不定根原基[16]。

劉國彬等[17]研究發現，側柏扦插后會出現皮部生根、愈傷組織生根和愈傷組織兼具皮部生根3 種類型；不定根原基的組織學起源是愈傷組織、髓射線、射線原始細胞、尚未分化成熟的木質部細胞，通過人工誘導同時激活這些不定根起源位點能顯著提高生根率和生根質量。Edwards 等[18]認為，扦插生根的難易取決于韌皮部厚壁組織的分布。但呂梅等[19]研究發現，厚壁組織狀態與扦插生根難易程度無明顯的關系。這說明不同植物組織內部不定根的誘導機制存在差異，針對性地對不同類型植物的不定根誘導機制開展研究具有重要意義。

2 誘導煙株不定根發生的因素

2.1 相關基因的表達

植物生命周期內的生長發育均是不同基因在時間和空間的順序性表達結果[20]。當植物接收到體內或外環境刺激信號時，會通過一系列信號轉導來激活RNA 聚合酶Ⅱ進行轉錄，最終通過基因表達產物來調節或適應外環境[21]。不定根的最終形成就是由無數基因特異性表達的結果[22]。

在煙草不定根誘導形成期基因HRGP-nt3表達量較高[23]；而周期蛋白基因CycB的過量表達同樣能促進不定根及不定芽的形成，因此推測煙草不定根及不定芽的形成可能與該基因的表達有關。張萍等[24]將棉花纖維cDNA 中的乙烯合成基因GhACO3轉到煙草中，結果發現與未轉入乙烯合成基因煙草株相比，GhACO3基因對不定根發生具有顯著促進作用。敖振超等[25]認為，基因Gmr937的表達能明顯的促進煙草側根的發育。董紹旺等[26]研究發現，轉Prd29A-ipt基因促進煙株側芽生長的同時還對根的延伸產生抑制作用。汪蕙[27]研究發現，用生長素處理轉Mp ADC基因煙草株系，培養一定時間后，Mp ADC基因過表達的煙株產生不定根，培養時間越長，不定根越多，這表明過表達ADC基因有促進煙株不定根發生的作用。另外，呂贇[28]研究發現，雞干擾素(ChIFN)能促進煙草不定根的形成和發育，并推測煙草不定根的發生可能是通過ChIFN-α促進百脈根生長素合成、運輸、響應等相關基因的轉錄和調控有關。

以上研究表明，煙草不定根的形成是由眾多基因特異性表達的結果。除此，相關植物激素基因也會通過調控該激素水平來影響植物不定根的形成；如赤霉素(GA)代謝關鍵酶基因PtGA2ox1、生長素(IAA)合成限速酶基因NtYUCCA、AUX/IAA 家族基因等[29-31]。

2.2 相關激素的誘導

2.2.1 生長素(IAA)

生長素在不定根的形成過程中起中心作用。據前人研究，植物生長素(IAA)對根系發育調控的途徑可分為2 條:一是IAA 信號反應調控根系發育，二是通過IAA 的運輸、分布來控制根的發育。植物組織不定根的形成大多都經過一定濃度的IAA 調節處理[32]。為探究內源IAA 信號路徑對煙草不定根形成的調控作用，黃琰等[33]通過對水分、光照和施用生長調節劑等對K326 不定根生長發育的研究，結果表明水分、光照以及IAA 對誘導不定根的形成具有重要的影響，其中水分是保持不定根生長發育和較高活性的關鍵因素，而適量施用生長素處理對增加不定根數量和提高根系活力有重要的促進作用。這說明一定濃度的IAA 處理能有效促進煙草不定根的形成。

2.2.2 赤霉素(GAs)

赤霉素(GAs)對煙草不定根的形成和伸長具有顯著促進作用。劉暢[34]通過研究GAs 對煙草發育的影響發現，降低煙株莖部木質部形成層中活性GAs 的含量對煙株不定根和葉片的發育會產生影響。楊鈞賀等[35]同樣發現，GAs 含量變化對煙草不定根的發育有顯著影響，其中木質部形成層中活性GAs 的含量是影響不定根發育的重要因素。鈕世輝等[36]在對赤霉素對不定根發育的調控作用中研究發現，外源施加GA3會降低煙草莖段不定根的數量，但對不定根的伸長具有顯著促進作用。此外，GAs 對植物的花芽分化、抗冷性、維管形成、干旱脅迫、促進葉生長和開片、促進花和果實的發育以及促進側芽生長等方面同樣有著重要的作用[37-42]。

2.2.3 細胞分裂素(CTK)

細胞分裂素(CTK)及IAA 對多種植物不定根和側根形成有重要調控作用[43]。有研究表明，CTK和IAA 在萵苣根原基形成前后含量變化明顯；根原基形成前CTK/IAA 比值低，但在根原基出現后，CTK/IAA 的比值明顯增高[44]。在煙草離體組織培養中，CTK 和IAA 的比例是控制外植體的根及愈傷組織形成的重要條件[45]。CTK 對煙草全株有促進側芽長出、葉片伸展和抑制葉片衰老的作用，可促進生根煙草組織培養[46]。唐玉林等[47]對煙草葉的外植體在誘導根分化的研究中發現，一定濃度的CTK是煙草不定根原基形成的必要條件之一，但過高濃度的CTK 則對不定根發生有強烈的抑制作用。這表明，CTK 在不同濃度及激素協同下產生的效應不同，但可以明確的是，CTK 對煙草不定根的形成具有重要影響。

2.2.4 脫落酸(ABA)

脫落酸(ABA)對植物不定根形成的影響表現為與其他激素的協同或拮抗作用，ABA 與GA 通過抑制細胞的分裂和促進細胞伸長來調控不定根生長[48-49]。高水平的ABA 與IAA 均能促進不定根原基的形成，但ABA 的誘導效應弱于IAA[50]。另外，不同濃度的ABA 對楊樹切段生根產生的影響也不同，低濃度的ABA 能促進切段生根，高濃度則表現出抑制[51]。這表明，ABA 對植物不定根的形成具有重要影響，且不同植物對ABA 的濃度及與不同激素的拮抗或協同反應有所差異，但該激素在煙草不定根形成中所產生的調控效應尚未見報道。

2.2.5 乙烯(ETH)

乙烯(ETH) 對不定根的形成具有促進作用[52-53]，其在水稻、玉米、牽牛等植物上具有相同效果[54]，主要是在誘導期和起始晚期起作用[55]。在擬南芥中不定根的形成隨ETH 含量增加表現出抑制，而當ETH 對同一插穗處理時，則表現出促進、抑制和不影響的作用[56]。但煙草不定根形成對不同條件下ETH 的濃度反應、ETH 與其它激素對煙草不定根形成的共同作用及外源ETH 對煙草不定根形成的影響機理等尚未明晰。

2.3 外源因子的誘導

2.3.1 光照

光照是影響和調控植物生根的因素之一，不同植物對促進生根的最適光照時長、光質、波長、強度等也有差異[57]。蔣小滿等[58]研究發現，與暗處理相比，光照能大大提高蠶豆幼苗不定根的發生率；同時，不同光照條件下多酚氧化酶活性也有差異，高活性多酚氧化酶是有利于不定根生成的重要因素。也有研究表明，黑暗條件下不定根原基無法突破表皮，而一定強度的光照可以促進不定根的發生；同時，不同光質對不定根的影響也有差異[59]。

光照和水分均是烤煙不定根形成的重要條件，當煙株莖部處于黑暗環境時可誘導不定根的發生，而水分則與不定根的生長發育和活性保持有關[60]。不同光質比例對煙草組培苗的根系數量、根系長度等都有不同的影響[61]。王芳芳[62]認為，光質對不定根形成的調控可能是通過影響不同生長素的運輸與分布來實現的。

2.3.2 無機鹽及金屬離子

無機鹽和金屬離子均對不定根的產生和生長有較大影響[63-64]，其主要是通過濃度對植物不定根產生作用[65]。賈志紅等[66]研究發現，低磷(P)處理對煙草不定根形成的數量和根重都顯著高于高P 處理。也有研究表明，缺硼(B)會導致生長素積累而抑制根系生長[67]，這與俞丁力[68]、徐淑芬等[69]、Ruiz 等[70]結果一致。張春[71]研究發現，培土層的營養條件密切影響著烤煙不定根的形成，不同氮肥形態對煙株不定根形成的影響有明顯差異，其中NH4+-N 最有利于烤煙不定根的形成，且活性最高。

2.3.3 栽培、培土與施肥技術

良好的栽培技術對煙草不定根系的形成、根系活力的提升等均有顯著的影響[72-73]。培土措施是影響不定根形成的重要因素之一，高培土、深栽煙，分層、分次施肥等均具有增加較強吸收活性的不定根數量，從而提升煙株對營養元素的吸收效率[74-77]。蔣志宏等[78]研究發現，培土處理有利于促進K326 不定根的產生，同時還能在一定程度上增加煙葉的光合速率和改善煙葉的光合性能。培土措施對煙株影響的主要是培土時間、深度和次數等方面，一定苗齡下培土時間越早則越有利于不定根的誘導[79]。煙株不定根的形成隨莖部位的升高而減弱[63]。另外，張琳等[80]研究發現，栽培過程中對煙株進行損傷處理對煙苗不定根的生長和根系活力有明顯促進作用。

3 問題與展望

總之，煙草不定根的發生是受基因、激素、環境等多因素影響，無論是不定根發生基因的表達、相關植物激素誘導，還是外源因子的誘導，均可在一定程度上對煙草不定根的發生產生影響和調控。目前對不定根誘導的研究已經從外部誘導因子深入到了內部生理生化、基因及組織蛋白水平。盡管如此，誘導不定根發生的分子機制尚不明晰，但隨著現代分子生物學技術、蛋白組學、基因組學、遺傳學及代謝組學等理論、技術的不斷發展，這些問題將會一一得到解決，從而促進煙草不定根誘導理論體系的完善和發展，為煙草及其它作物的不定根根系誘導提供新的方法和思路。