蔬菜不定根形成調控機制研究進展

馬 凱，楊 凡，蔡毓新，唐艷領，牛莉莉，史宣杰

（1.河南省農業(yè)科學院園藝研究所 鄭州 450002； 2.河南省慶發(fā)種業(yè)有限公司 鄭州 450002）

蔬菜不定根形成調控機制研究進展

馬 凱1，楊 凡1，蔡毓新2，唐艷領1，牛莉莉1，史宣杰1

（1.河南省農業(yè)科學院園藝研究所 鄭州 450002； 2.河南省慶發(fā)種業(yè)有限公司 鄭州 450002）

不定根的形成是一種受到基因型、生理狀況及所處環(huán)境因素影響的復雜生物學過程。對該過程的研究不僅可揭示不定根的發(fā)育機制，而且可促進植物種苗的商業(yè)化發(fā)展。與生長素合成、轉運、信號響應及降解相關的生理生化及分子調控機制已有廣泛深入的研究，筆者將從植物激素、下游信號分子、相關基因和蛋白等幾個方面綜述蔬菜不定根形成分子調控機制的研究進展。

蔬菜；不定根；植物激素；分子調控

植物根系是一種在根際環(huán)境中生長發(fā)育的器官，具有將植物固定在附著物上并從中吸收水分和營養(yǎng)元素的功能，主要包括主根（primary root，PR）、側根（lateral root，LR）及不定根（adventitious root，AR）3種類型[1]。植物的不定根可以從非根組織上經自發(fā)或脅迫誘導形成，脅迫因素主要包括創(chuàng)傷、水淹及缺素等。蔬菜不定根的形成有助于促進根系的吸收功能及附著能力[2]。對于不定根形成的研究不僅有助于闡明植物發(fā)育的調節(jié)機制，而且可以促進優(yōu)良品種無性繁殖技術的應用[3]。

不定根的形成是一種脅迫適應機制，園藝植物的扦插及斷根嫁接等技術的應用都依賴于不定根的正常形成?；蛐?、生理狀態(tài)、環(huán)境條件、激素、信號分子等因素都會影響不定根的形成和發(fā)育過程[3]。畢玉婷、郭早霞等[4-5]分別總結了禾本科植物、木本植物中不定根發(fā)育的分子調控機制研究進展。近年來，對于黃瓜和番茄不定根發(fā)生發(fā)育調控機制的相關研究逐漸增多并成為研究熱點問題，筆者從植物激素、下游信號分子、相關基因和蛋白等幾個方面綜述蔬菜不定根形成分子調控機制的相關研究進展。

1 不定根的形成過程

蔬菜不定根的形成是一個復雜的生物學過程，涉及到多個信號調控網絡[3]。在過去的幾十年中，主根和側根生長發(fā)育的生理生化及分子調控機制已經被很好的理解，相比而言，關于不定根形成調控機制的研究相對滯后[1]。不定根的形成過程一般被劃分為誘導階段（induction phase），起始階段（initiation phase）及表達階段（expression phase）。首先，在誘導階段，具有形成不定根潛力的細胞通過脫分化、重編程等過程轉變?yōu)閿M分生組織（root meristemoids）；接著，在起始階段，擬分生組織經過分化，形成半球形的根原基（root primordia）；最后，在表達階段，進行維管束的連接形成具有功能的不定根，其中，起始階段及表達階段可以統(tǒng)稱為形成階段（formation phase）[6]。側根發(fā)育的起源主要是臨近導管或者篩管的中柱鞘細胞，相較而言，不定根的發(fā)育起源較為復雜，可以從莖部的中柱鞘細胞、維管束細胞、韌皮部和形成層等多種組織上發(fā)育而來[7]。在擬南芥中的研究表明，發(fā)育程度較低的下胚軸不定根起源于中柱鞘細胞，較成熟下胚軸、不含下胚軸的莖段及葉柄中的不定根則起源于鄰近維管束的組織[1,6]。Katarzyna等[7]通過免疫化學分析的方法在番茄中的相關研究表明，不定根和側根的起源細胞不同，且化學組分也表現(xiàn)出差異。

2 植物激素在不定根形成過程中的作用

植物激素包括生長素、細胞分裂素、乙烯、赤霉素、茉莉酸等，這些小分子化合物在植物的生根、發(fā)芽、成花、性別決定及果實發(fā)育等過程中起到重要的調控作用[8]。近年來的研究表明各類植物激素之間在不定根發(fā)育過程中會互相影響，形成一個復雜的調控網絡[9]。其中生長素和乙烯在不定根形成過程中起到較為重要的作用。

2.1 生長素

植物生長素在植物細胞的分裂、伸長及分化過程中起到十分重要的作用。在黃瓜中的研究表明，不定根形成涉及到分生組織的發(fā)育，生長素IAA可以通過調節(jié)細胞的去分化及頂端分生組織的重建過程來啟動不定根分生組織的發(fā)育[10]。生長素在不定根發(fā)育的不同時期起到的作用也有所差異，在不定根的誘導階段，IAA起到促進作用，而在后期不定根的形成階段，高濃度的IAA會抑制不定根的發(fā)育[11]。

IAA和IBA是在不定根的誘導上應用較多的兩種生長素[12]。盡管IAA在自然界中最為豐富，并且首先應用于誘導植物組織不定根的形成，但是相較而言，由于IBA在光照誘導的情況下較難被降解，因此IBA在實際生產中應用更為廣泛。另外，IAA和IBA分別具有其各自的運輸載體，PIN2、PIN7、ABCB1以及ABCB19是IAA特異的外流蛋白載體；PDR家族蛋白ABCG36和ABCG37是IBA特異的外流蛋白載體[13]。

生長素的定向運輸在不定根的形成過程中起到十分重要的作用[12]。植物頂端分生組織是內源生長素的主要合成部位，當脅迫發(fā)生時，生長素運輸載體 PINs及 ABCB19（ATP-bindingcassettetypeB19）等會在維管組織及創(chuàng)傷部位附近的中柱鞘細胞的細胞膜上富集，將生長素轉運至不定根形成區(qū)域，誘導不定根的形成[14]。在黃瓜及番茄中的研究表明，通過將子葉去除或外源施用生長素運輸?shù)鞍滓种苿?NPA（Naphthylphthalamic acid），由于生長素不能正常合成或不能被正常運輸?shù)讲欢ǜ男纬刹课?，因此會對不定根的形成有強烈抑制作用[15]。

2.2 乙烯

乙烯作為一種信號分子，其合成過程受到脅迫因素的強烈誘導。在不定根的形成過程中，乙烯信號途徑扮演著十分重要的角色，主要通過對其下游響應因子 ERFs（ethylene responsive transcription factors）和下游基因的調節(jié)來完成。當植物組織受到脅迫之后，會啟動乙烯合成相關基因ACSs（aminocyclopropane synthase）及ACOs（aminocyclopropane oxidase）的大量表達[12]。在不定根的形成過程中，乙烯的作用比較復雜，與生長素在不定根的形成過程中起到的決定性作用不同，乙烯主要起到刺激和影響不定根發(fā)育的效果。在不定根早期的誘導階段和后期的形成階段，乙烯起到一定的促進作用，但是在后期的誘導階段，乙烯則是一種抑制因子[6]。

Negi等[15]利用番茄的乙烯信號途徑相關突變體研究了乙烯在番茄側根和不定根形成過程中所起的作用，結果表明，乙烯在側根的形成過程中是一個負調節(jié)因子，而在不定根形成過程中是一個正調節(jié)因子，且這種作用是通過調節(jié)生長素的運輸來完成的。在水淹誘導番茄不定根的形成過程中，通過利用乙烯合成抑制劑氨氧乙烯基甘氨酸以及生長素運輸抑制劑NPA處理之后，不定根的形成數(shù)量大大減少，且生長素的運輸會受到乙烯合成的影響[16]。說明在番茄不定根形成過程中，乙烯和生長素可以相互影響，起到共同調節(jié)的效果。

3 下游信號分子在不定根形成過程中的作用

植物激素下游信號分子在不定根形成過程中也起到十分關鍵的作用，其中一氧化氮（nitric oxide，NO）、過氧化氫（H2O2）等信號分子在植物的多種生理活動中都具有重要的調節(jié)作用。

3.1 NO

NO作為信號分子首先在動物中被發(fā)現(xiàn)，之后在植物中的研究表明，其在植物生長發(fā)育的許多關鍵過程中都是非常重要的調節(jié)因子，其中包括植物種子的萌發(fā)、細胞的程序性死亡、植物的抗病防御反應、植物氣孔閉合的調節(jié)以及對各種脅迫的響應等[17-18]。在根的器官發(fā)生過程中，NO也起到了十分重要的作用[19]。在黃瓜中，生長素水平降低后不定根形成能力會大大減弱，但通過NO供體處理之后，不定根就會恢復生長，說明NO在黃瓜不定根形成的調節(jié)過程中處于生長素的下游。另外有研究表明，NO在黃瓜中對不定根形成的調控是通過調節(jié)絲裂原活化蛋白激酶 MAPK（mitogen-activated protein kinase cascade）信號級聯(lián)反應、鳥苷酸環(huán)化酶級聯(lián)反應cGMP途徑以及細胞周期激活途徑來完成的。絲裂原活化蛋白激酶級聯(lián)反應是植物脅迫反應中的重要信號途徑，與細胞周期及發(fā)育過程相關，Pagnussat等[10]的研究表明生長素及NO可能通過MAPK信號級聯(lián)反應調節(jié)細胞有絲分裂過程。在動物細胞中，cGMP是NO信號途徑中的一種重要元件，在植物細胞中，cGMP途徑與細胞的擴大及分裂相關，在黃瓜中的研究表明，NO對不定根發(fā)育的調節(jié)是通過cGMP途徑來完成的[20]。另外，近期研究表明，在不定根形成過程中細胞周期相關基因的表達會受到NO的影響[21]。

3.2 過氧化氫

在植物中過氧化氫（H2O2）是新陳代謝過程的副產物，且是一種十分重要的脅迫相關信號分子，在植物中參與多種生長發(fā)育過程，與植物中其他信號分子相互影響，共同調節(jié)植物細胞的分裂和分化過程以及植物細胞的抗氧化機制[22]。目前研究表明，H2O2在黃瓜中可以促進不定根的形成，當黃瓜主根被切除之后，H2O2就會在植株體內大量產生，參與生長素介導的不定根形成過程，且通過外源H2O2處理黃瓜去根幼苗之后的外植體會明顯增加不定根形成的數(shù)目，說明H2O2在黃瓜不定根形成和發(fā)育過程中是一種重要的信號分子。Terrile等[23]的研究數(shù)據(jù)顯示，H2O2對不定根形成的影響則可以通過參與cGMP鳥苷酸環(huán)化酶級聯(lián)反應及促分裂原活化激酶MAPK級聯(lián)反應來完成。

3.3 褪黑素

(三)規(guī)劃落后，抗震、抗戰(zhàn)遺跡大部分滅失。1976年7月28日的唐山大地震，造成市區(qū)24萬人的傷死，是20世紀世界地震史最慘重的傷亡。唐山毀于地震，但也因抗震精神而被世人所關注，唐山抗震紀念館以及新建的地震遺址公園距離相距較遠，分布較凌亂，館內更多地展示地震圖片場景，缺乏實景和整體效果，尤其是那些留存至今的震前建筑遺跡，大多“養(yǎng)在深閨人未識”，沒有得到有關部門重視，更沒有列入旅游參觀項目。此外，唐山是冀東大暴動的發(fā)生地，當年，這一帶反抗日本侵略者抗戰(zhàn)遺跡多且集中，由于疏于管理，如日軍侵華時期所建的軍用機場等多處遺跡被毀，原機場周邊各村僅存的幾座“飛機庫”周圍更是雜草叢生、亂堆亂放嚴重。

褪黑素是吲哚類色胺物質，作為一種十分重要的動物激素，它可以直接清除動物體內多種形態(tài)的自由基，具有延緩衰老和提高機體免疫力的作用。近年來在植物中的研究表明，褪黑素在植物界廣泛存在，與植物的光合作用、器官發(fā)育、根系統(tǒng)形態(tài)構成、衰老、防御機制和脅迫響應機制相關，但褪黑素在蔬菜不定根形成過程中的作用鮮有報道。近期在番茄中的研究表明，褪黑素可以通過調節(jié)內源NO的富集以及生長素的轉運和信號轉導影響不定根的形成。褪黑素啟動NO的富集是通過下調cGMP途徑中關鍵基因GSNOR的表達來完成的。在番茄中的外源褪黑素處理試驗表明，褪黑素對不定根形成的影響具有劑量效應，低濃度褪黑素促進不定根的形成，高濃度褪黑素則起到相反的效果[24]。

4 不定根形成相關蛋白組學分析

隨著分子生物學的快速發(fā)展，轉錄組、蛋白組、代謝組等相關技術日益成熟。通過將組學數(shù)據(jù)應用到植物生長發(fā)育分子調控機制的研究中，可以極大的促進對于植物發(fā)育過程中關鍵調控因子的挖掘工作。

近年來，在不定根發(fā)育調控機制的相關研究中，細胞組織水平相關研究數(shù)據(jù)和組學數(shù)據(jù)的結合已逐漸成為新的研究方向。Xu等[25]通過蛋白組學的手段分析了具有不同不定根形成能力的黃瓜品系的蛋白表達情況，研究結果表明，在水淹脅迫下，不同黃瓜品系顯示出不同的不定根形成能力。蛋白質組學分析結果表明，在鑒定的5 508種蛋白中，有146種蛋白表現(xiàn)出明顯差異。其中與乙烯釋放、減少氧化損傷、儲存脂類調節(jié)、細胞分裂、細胞分化等過程相關的乙醇脫氫酶、1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸氧化酶、過氧化物酶、60S核糖體蛋白、組蛋白脫乙酰酶等蛋白的含量顯著高于不定根形成能力較弱的品系‘Pepino’。該研究為黃瓜水淹脅迫下不定根形成機制的探索提供了豐富的信息資源和技術支持。

5 小結與展望

筆者綜述了植物激素、下游信號分子、基因和蛋白等因素在蔬菜作物不定根形成過程中的響應及所起到的作用。要進一步探明蔬菜不定根發(fā)生發(fā)育的調控網絡，需要結合分子生物學、生物信息學及遺傳學，通過轉錄組學、蛋白組學等手段分析不定根發(fā)育相關的調控因子，尤其是上游調控因子，明確不定根形成及發(fā)育的調控機制，創(chuàng)造并篩選模式植物中不定根發(fā)育異常突變體，豐富不定根發(fā)育理論?？傊卟瞬欢ǜ纬傻南嚓P研究已經深入到分子水平，雖然取得了一些研究進展，但整體分子調控網絡仍存在許多疑問，未來的研究希望通過更多相關基因和蛋白功能的分析，全面深入地展開蔬菜作物不定根形成分子調控機制的相關研究。

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Research advances on the regulation mechanism of adventitious root formation in vegetable

MA Kai1,YANG Fan1,CAI Yuxin2,TANG Yanling1,NIU Lili1,SHI Xuanjie1

(1.Institute of Horticulture,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,Henan,China;2.Henan Province Qingfa Seed Industry Co.,Ltd.,Zhengzhou 450002,Henan,China)

The formation of adventitious root is a complex biological process which is effected by the plant genotype,physiological condition and environmental factors.Research on the formation of adventitious root have theoretical significance on the development mechanism of adventitious root and obvious application value on the commercial plant seedlings.It has been reported that the accumulation of auxin plays an important role in the formation of adventitious roots.The effects of phytohormone,downstreammolecularsignal,relatedgeneandproteininvegetableadventitiousrootformationanddevelopment is reviewed in this paper.

Vegetable;Adventitious root;Plant hormonal;Molecular regulation

2016-12-28；

2017-02-21

河南省大宗蔬菜產業(yè)技術體系耕作栽培崗位專家項目（S2010-03-G05）；河南省農業(yè)科學院科研發(fā)展專項資金項目（YCY20167815）；河南省博士后科研自主項目（2015106）；河南省科技開放合作計劃項目（172106000046；152106000030）

馬 凱，男，助理研究員，主要從事蔬菜工廠化育苗技術相關研究。E-mail：mkbioenergy@163.com

史宣杰，男，研究員，主要從事蔬菜栽培及果類蔬菜遺傳育種研究。E-mail：13803840196@139.com