蔬菜不定根形成调控机制研究进展

马 凯，杨 凡，蔡毓新，唐艳领，牛莉莉，史宣杰

（1.河南省农业科学院园艺研究所 郑州 450002； 2.河南省庆发种业有限公司 郑州 450002）

蔬菜不定根形成调控机制研究进展

马 凯1，杨 凡1，蔡毓新2，唐艳领1，牛莉莉1，史宣杰1

（1.河南省农业科学院园艺研究所 郑州 450002； 2.河南省庆发种业有限公司 郑州 450002）

不定根的形成是一种受到基因型、生理状况及所处环境因素影响的复杂生物学过程。对该过程的研究不仅可揭示不定根的发育机制，而且可促进植物种苗的商业化发展。与生长素合成、转运、信号响应及降解相关的生理生化及分子调控机制已有广泛深入的研究，笔者将从植物激素、下游信号分子、相关基因和蛋白等几个方面综述蔬菜不定根形成分子调控机制的研究进展。

蔬菜；不定根；植物激素；分子调控

植物根系是一种在根际环境中生长发育的器官，具有将植物固定在附着物上并从中吸收水分和营养元素的功能，主要包括主根（primary root，PR）、侧根（lateral root，LR）及不定根（adventitious root，AR）3种类型[1]。植物的不定根可以从非根组织上经自发或胁迫诱导形成，胁迫因素主要包括创伤、水淹及缺素等。蔬菜不定根的形成有助于促进根系的吸收功能及附着能力[2]。对于不定根形成的研究不仅有助于阐明植物发育的调节机制，而且可以促进优良品种无性繁殖技术的应用[3]。

不定根的形成是一种胁迫适应机制，园艺植物的扦插及断根嫁接等技术的应用都依赖于不定根的正常形成。基因型、生理状态、环境条件、激素、信号分子等因素都会影响不定根的形成和发育过程[3]。毕玉婷、郭早霞等[4-5]分别总结了禾本科植物、木本植物中不定根发育的分子调控机制研究进展。近年来，对于黄瓜和番茄不定根发生发育调控机制的相关研究逐渐增多并成为研究热点问题，笔者从植物激素、下游信号分子、相关基因和蛋白等几个方面综述蔬菜不定根形成分子调控机制的相关研究进展。

1 不定根的形成过程

蔬菜不定根的形成是一个复杂的生物学过程，涉及到多个信号调控网络[3]。在过去的几十年中，主根和侧根生长发育的生理生化及分子调控机制已经被很好的理解，相比而言，关于不定根形成调控机制的研究相对滞后[1]。不定根的形成过程一般被划分为诱导阶段（induction phase），起始阶段（initiation phase）及表达阶段（expression phase）。首先，在诱导阶段，具有形成不定根潜力的细胞通过脱分化、重编程等过程转变为拟分生组织（root meristemoids）；接着，在起始阶段，拟分生组织经过分化，形成半球形的根原基（root primordia）；最后，在表达阶段，进行维管束的连接形成具有功能的不定根，其中，起始阶段及表达阶段可以统称为形成阶段（formation phase）[6]。侧根发育的起源主要是临近导管或者筛管的中柱鞘细胞，相较而言，不定根的发育起源较为复杂，可以从茎部的中柱鞘细胞、维管束细胞、韧皮部和形成层等多种组织上发育而来[7]。在拟南芥中的研究表明，发育程度较低的下胚轴不定根起源于中柱鞘细胞，较成熟下胚轴、不含下胚轴的茎段及叶柄中的不定根则起源于邻近维管束的组织[1,6]。Katarzyna等[7]通过免疫化学分析的方法在番茄中的相关研究表明，不定根和侧根的起源细胞不同，且化学组分也表现出差异。

2 植物激素在不定根形成过程中的作用

植物激素包括生长素、细胞分裂素、乙烯、赤霉素、茉莉酸等，这些小分子化合物在植物的生根、发芽、成花、性别决定及果实发育等过程中起到重要的调控作用[8]。近年来的研究表明各类植物激素之间在不定根发育过程中会互相影响，形成一个复杂的调控网络[9]。其中生长素和乙烯在不定根形成过程中起到较为重要的作用。

2.1 生长素

植物生长素在植物细胞的分裂、伸长及分化过程中起到十分重要的作用。在黄瓜中的研究表明，不定根形成涉及到分生组织的发育，生长素IAA可以通过调节细胞的去分化及顶端分生组织的重建过程来启动不定根分生组织的发育[10]。生长素在不定根发育的不同时期起到的作用也有所差异，在不定根的诱导阶段，IAA起到促进作用，而在后期不定根的形成阶段，高浓度的IAA会抑制不定根的发育[11]。

IAA和IBA是在不定根的诱导上应用较多的两种生长素[12]。尽管IAA在自然界中最为丰富，并且首先应用于诱导植物组织不定根的形成，但是相较而言，由于IBA在光照诱导的情况下较难被降解，因此IBA在实际生产中应用更为广泛。另外，IAA和IBA分别具有其各自的运输载体，PIN2、PIN7、ABCB1以及ABCB19是IAA特异的外流蛋白载体；PDR家族蛋白ABCG36和ABCG37是IBA特异的外流蛋白载体[13]。

生长素的定向运输在不定根的形成过程中起到十分重要的作用[12]。植物顶端分生组织是内源生长素的主要合成部位，当胁迫发生时，生长素运输载体 PINs及 ABCB19（ATP-bindingcassettetypeB19）等会在维管组织及创伤部位附近的中柱鞘细胞的细胞膜上富集，将生长素转运至不定根形成区域，诱导不定根的形成[14]。在黄瓜及番茄中的研究表明，通过将子叶去除或外源施用生长素运输蛋白抑制剂 NPA（Naphthylphthalamic acid），由于生长素不能正常合成或不能被正常运输到不定根的形成部位，因此会对不定根的形成有强烈抑制作用[15]。

2.2 乙烯

乙烯作为一种信号分子，其合成过程受到胁迫因素的强烈诱导。在不定根的形成过程中，乙烯信号途径扮演着十分重要的角色，主要通过对其下游响应因子 ERFs（ethylene responsive transcription factors）和下游基因的调节来完成。当植物组织受到胁迫之后，会启动乙烯合成相关基因ACSs（aminocyclopropane synthase）及ACOs（aminocyclopropane oxidase）的大量表达[12]。在不定根的形成过程中，乙烯的作用比较复杂，与生长素在不定根的形成过程中起到的决定性作用不同，乙烯主要起到刺激和影响不定根发育的效果。在不定根早期的诱导阶段和后期的形成阶段，乙烯起到一定的促进作用，但是在后期的诱导阶段，乙烯则是一种抑制因子[6]。

Negi等[15]利用番茄的乙烯信号途径相关突变体研究了乙烯在番茄侧根和不定根形成过程中所起的作用，结果表明，乙烯在侧根的形成过程中是一个负调节因子，而在不定根形成过程中是一个正调节因子，且这种作用是通过调节生长素的运输来完成的。在水淹诱导番茄不定根的形成过程中，通过利用乙烯合成抑制剂氨氧乙烯基甘氨酸以及生长素运输抑制剂NPA处理之后，不定根的形成数量大大减少，且生长素的运输会受到乙烯合成的影响[16]。说明在番茄不定根形成过程中，乙烯和生长素可以相互影响，起到共同调节的效果。

3 下游信号分子在不定根形成过程中的作用

植物激素下游信号分子在不定根形成过程中也起到十分关键的作用，其中一氧化氮（nitric oxide，NO）、过氧化氢（H2O2）等信号分子在植物的多种生理活动中都具有重要的调节作用。

3.1 NO

NO作为信号分子首先在动物中被发现，之后在植物中的研究表明，其在植物生长发育的许多关键过程中都是非常重要的调节因子，其中包括植物种子的萌发、细胞的程序性死亡、植物的抗病防御反应、植物气孔闭合的调节以及对各种胁迫的响应等[17-18]。在根的器官发生过程中，NO也起到了十分重要的作用[19]。在黄瓜中，生长素水平降低后不定根形成能力会大大减弱，但通过NO供体处理之后，不定根就会恢复生长，说明NO在黄瓜不定根形成的调节过程中处于生长素的下游。另外有研究表明，NO在黄瓜中对不定根形成的调控是通过调节丝裂原活化蛋白激酶 MAPK（mitogen-activated protein kinase cascade）信号级联反应、鸟苷酸环化酶级联反应cGMP途径以及细胞周期激活途径来完成的。丝裂原活化蛋白激酶级联反应是植物胁迫反应中的重要信号途径，与细胞周期及发育过程相关，Pagnussat等[10]的研究表明生长素及NO可能通过MAPK信号级联反应调节细胞有丝分裂过程。在动物细胞中，cGMP是NO信号途径中的一种重要元件，在植物细胞中，cGMP途径与细胞的扩大及分裂相关，在黄瓜中的研究表明，NO对不定根发育的调节是通过cGMP途径来完成的[20]。另外，近期研究表明，在不定根形成过程中细胞周期相关基因的表达会受到NO的影响[21]。

3.2 过氧化氢

在植物中过氧化氢（H2O2）是新陈代谢过程的副产物，且是一种十分重要的胁迫相关信号分子，在植物中参与多种生长发育过程，与植物中其他信号分子相互影响，共同调节植物细胞的分裂和分化过程以及植物细胞的抗氧化机制[22]。目前研究表明，H2O2在黄瓜中可以促进不定根的形成，当黄瓜主根被切除之后，H2O2就会在植株体内大量产生，参与生长素介导的不定根形成过程，且通过外源H2O2处理黄瓜去根幼苗之后的外植体会明显增加不定根形成的数目，说明H2O2在黄瓜不定根形成和发育过程中是一种重要的信号分子。Terrile等[23]的研究数据显示，H2O2对不定根形成的影响则可以通过参与cGMP鸟苷酸环化酶级联反应及促分裂原活化激酶MAPK级联反应来完成。

3.3 褪黑素

(三)规划落后，抗震、抗战遗迹大部分灭失。1976年7月28日的唐山大地震，造成市区24万人的伤死，是20世纪世界地震史最惨重的伤亡。唐山毁于地震，但也因抗震精神而被世人所关注，唐山抗震纪念馆以及新建的地震遗址公园距离相距较远，分布较凌乱，馆内更多地展示地震图片场景，缺乏实景和整体效果，尤其是那些留存至今的震前建筑遗迹，大多“养在深闺人未识”，没有得到有关部门重视，更没有列入旅游参观项目。此外，唐山是冀东大暴动的发生地，当年，这一带反抗日本侵略者抗战遗迹多且集中，由于疏于管理，如日军侵华时期所建的军用机场等多处遗迹被毁，原机场周边各村仅存的几座“飞机库”周围更是杂草丛生、乱堆乱放严重。

褪黑素是吲哚类色胺物质，作为一种十分重要的动物激素，它可以直接清除动物体内多种形态的自由基，具有延缓衰老和提高机体免疫力的作用。近年来在植物中的研究表明，褪黑素在植物界广泛存在，与植物的光合作用、器官发育、根系统形态构成、衰老、防御机制和胁迫响应机制相关，但褪黑素在蔬菜不定根形成过程中的作用鲜有报道。近期在番茄中的研究表明，褪黑素可以通过调节内源NO的富集以及生长素的转运和信号转导影响不定根的形成。褪黑素启动NO的富集是通过下调cGMP途径中关键基因GSNOR的表达来完成的。在番茄中的外源褪黑素处理试验表明，褪黑素对不定根形成的影响具有剂量效应，低浓度褪黑素促进不定根的形成，高浓度褪黑素则起到相反的效果[24]。

4 不定根形成相关蛋白组学分析

随着分子生物学的快速发展，转录组、蛋白组、代谢组等相关技术日益成熟。通过将组学数据应用到植物生长发育分子调控机制的研究中，可以极大的促进对于植物发育过程中关键调控因子的挖掘工作。

近年来，在不定根发育调控机制的相关研究中，细胞组织水平相关研究数据和组学数据的结合已逐渐成为新的研究方向。Xu等[25]通过蛋白组学的手段分析了具有不同不定根形成能力的黄瓜品系的蛋白表达情况，研究结果表明，在水淹胁迫下，不同黄瓜品系显示出不同的不定根形成能力。蛋白质组学分析结果表明，在鉴定的5 508种蛋白中，有146种蛋白表现出明显差异。其中与乙烯释放、减少氧化损伤、储存脂类调节、细胞分裂、细胞分化等过程相关的乙醇脱氢酶、1-氨基环丙烷-1-羧酸氧化酶、过氧化物酶、60S核糖体蛋白、组蛋白脱乙酰酶等蛋白的含量显著高于不定根形成能力较弱的品系‘Pepino’。该研究为黄瓜水淹胁迫下不定根形成机制的探索提供了丰富的信息资源和技术支持。

5 小结与展望

笔者综述了植物激素、下游信号分子、基因和蛋白等因素在蔬菜作物不定根形成过程中的响应及所起到的作用。要进一步探明蔬菜不定根发生发育的调控网络，需要结合分子生物学、生物信息学及遗传学，通过转录组学、蛋白组学等手段分析不定根发育相关的调控因子，尤其是上游调控因子，明确不定根形成及发育的调控机制，创造并筛选模式植物中不定根发育异常突变体，丰富不定根发育理论。总之，蔬菜不定根形成的相关研究已经深入到分子水平，虽然取得了一些研究进展，但整体分子调控网络仍存在许多疑问，未来的研究希望通过更多相关基因和蛋白功能的分析，全面深入地展开蔬菜作物不定根形成分子调控机制的相关研究。

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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

河南省大宗蔬菜产业技术体系耕作栽培岗位专家项目（S2010-03-G05）；河南省农业科学院科研发展专项资金项目（YCY20167815）；河南省博士后科研自主项目（2015106）；河南省科技开放合作计划项目（172106000046；152106000030）

马 凯，男，助理研究员，主要从事蔬菜工厂化育苗技术相关研究。E-mail：mkbioenergy@163.com

史宣杰，男，研究员，主要从事蔬菜栽培及果类蔬菜遗传育种研究。E-mail：13803840196@139.com