细胞分裂素研究进展及其在作物生产中的应用

2017-08-30赵江哲

浙江农业科学 2017年8期

关键词：侧根细胞分裂生长素

樊彪，赵江哲

(浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004)

细胞分裂素研究进展及其在作物生产中的应用

樊彪，赵江哲*

(浙江师范大学化学与生命科学学院，浙江金华 321004)

细胞分裂素是植物的生长调节因子，参与植物生长发育的各个过程，对植物的形态建成和农作物产量有着重要作用。随着对细胞分裂素合成、运输、降解、信号转导等过程研究的逐渐深入，其在农业生产中应用的研究也变得尤为重要。本文综述了细胞分裂素的代谢和运输过程，总结了其在作物生产过程中的作用，并对未来研究方向提出了展望，旨在为作物育种和激素的充分利用提供参考。

生长素；细胞分裂素；互作；生长发育；产量

植物生长发育过程中需要各种激素的协同作用，作为植物自身合成的生长调节分子，植物激素化学结构相对简单且微量，但是有十分重要的生理功能。作为主要的植物激素，细胞分裂素参与植物生长发育的调控过程，同时与其他激素又存在着各种联系，既相互制约，又相互促进，维持着激素水平的动态平衡，调控植物的生长发育。细胞分裂素不仅可以提高农作物的产量，也可提高农作物的抗逆性。本文根据细胞分裂素在不同组织的调控作用，对目前关于细胞分裂素的研究结果做简要介绍。

1 细胞分裂素的代谢和运输

1955年，Miller等[1]在鲱鱼精子DNA热压水解产物中发现了一种可以促进植物细胞分裂与分化的物质，并将其命名为激动素。随着研究的不断深入，人们将这一类含有腺嘌呤结构的激素称为细胞分裂素(cytokinin，CK)。根据取代基团的不同，细胞分裂素可以分为类异戊二烯细胞分裂素和芳香环细胞分裂素。在植物体内，细胞分裂素主要以类异戊二烯形式存在，包括反式玉米素(trans-zeatin，tZ)、二氢玉米素(dihydrozeatin，DHZ)、顺式玉米素(cis-zeatin，cZ)和异戊烯腺嘌呤(isopentenyladenine)[2]。

1.1 细胞分裂素的合成

绝大多数内源细胞分裂素通过从头合成途径合成[3]。细胞分裂素合成途径中的限速酶是异戊烯基转移酶(isopentenyltransferase，IPT)。在拟南芥中共鉴定出9个IPT基因，依次为IPT1～IPT9[4]。在杨树中过量表达AtIPT7，茎的生物量与野生植株相比增加了80%[5]。不同AtIPT基因的表达存在着时空特异性，其中，IPT1基因主要在根尖、叶腋、胚珠及未成熟的种子中表达，IPT3基因则主要在韧皮部组织中表达，IPT5基因在根原形成层以及其他一些未完全成熟的组织中有较强的表达[6]。

1.2 细胞分裂素的降解

细胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase，CKX)能够不可逆地降解细胞分裂素侧链的不饱和键，从而使细胞分裂素失去活性[7]。水稻产量的增加与分蘖数有着密不可分的关系，在水稻中特异性降低OsCKX2的表达量后，分蘖数及籽粒数较野生型均明显增加[8-9]，这与外源施加细胞分裂素的表型相一致。CKX基因的表达也受到其他激素的调控，尤其是生长素，其可以通过影响CKX在根部的表达来调控根部组织的发育[10]。

1.3 细胞分裂素的转运

细胞分裂素主要通过扩散或者主动运输的形式转运到靶细胞或靶组织发挥作用，已有研究表明几种蛋白可能参与细胞分裂素的运输。Zhang等[11]鉴定出第1个长距离转运tZ类细胞分裂素的蛋白——AtABCG14。在atabcg14突变体中，由于tZ类细胞分裂素无法正常转运，突变体表现出细胞分裂素缺乏的表型，包括初生根变短，莲座叶减小，花序减少等，同位素示踪实验同样证明了AtABCG14可以向细胞外转运细胞分裂素。Ko等[12]发现AtABCG14可以转运细胞分裂素。拟南芥嘌呤透性酶AtPUP14(ArabidopsisthalianaPurine Permease14)定位在质膜上，其突变体对细胞分裂素的响应减弱，这也造成了初生根缩短、胚胎发育异常等表型，原生质体中的PUP14具有向细胞内转运细胞分裂素的活性，且高于PUP1。这些证据表明了PUP14参与细胞分裂素的转运[13]。

1.4 细胞分裂素的信号转导

随着研究的不断深入，发现细胞分裂素信号传递利用了一种类似于细菌的双元组分系统，主要包括3个部分：首先，细胞分裂素受体与细胞分裂素结合后自磷酸化，随后通过跨膜运输将磷酸基团转移到胞质中的磷酸转移蛋白(Arabidopsishistidine-phosphotransfer protein，AHPs)，磷酸化的AHPs可以进入细胞核并将磷酸基团转移到反应调节因子(Arabidopsisresponse regulators，ARRs)，从而诱导基因表达，调节植物生长发育[14]。

2 细胞分裂素调控植物的发育

2.1 根尖分生组织形成的调控

分生组织的生长是一个动态平衡过程，细胞分裂素可促进细胞的分裂、抑制分生组织的生长[15]。研究表明，拟南芥中SHY2编码Aux/IAA家族基因IAA3，其在生长素和细胞分裂素的动态平衡中发挥重要作用。生长素可以通过促进SCFTIR1复合体的降解，抑制SHY2的表达，从而维持信号响应及PIN蛋白的活性，促进细胞分化；细胞分裂素则可以通过激活ARR1及ARR12的表达，促进SHY2表达[16]，抑制生长素的向外运输，阻止细胞分化。另外，SHY2可以促进IPT5的表达，参与细胞分裂素的从头合成过程。

静止中心有丝分裂活性的维持需要一个高生长素/低细胞分裂素的环境，2种激素的比率会影响到静止中心的形态建成。细胞分裂素可以抑制静止中心细胞活性相关的基因，包括WOX5、SCR、AUX1和LAX2等基因，WOX5的表达依赖于SCR的调控，而SCR作为生长素的响应基因参与形态建成过程，可以通过生长素极性运输对过渡区细胞ARR1的表达进行调控[17]。同时，细胞分裂素响应基因ARR1和ARR12抑制生长素向内运输载体基因LAX2的表达，lax2突变体静止中心的细胞分裂素与野生型相比也有所增加。这些证据证明，LAX2作为一个关键因子维持着静止中心区域细胞分裂素的平衡[18]。

2.2 根部形态建成的调控

植物侧根的形成是一个非常复杂的过程，在中柱鞘细胞分化为原生木质部细胞的过程中，会出现大量细胞分裂与细胞分化[19]。细胞分裂素在侧根形成过程中起负调控作用，包括影响中柱鞘细胞的细胞分化，以及抑制侧根原基的形态建成。在外源细胞分裂素影响下，arr3、arr4、arr5、arr6突变体的侧根明显减少[20]；与之相反，在35S:CKX1过表达材料中，侧根较野生型相比明显增加，而在细胞分裂素受体基因ahk2、ahk3突变体中，侧根对于生长素的敏感性较野生型增加[21]。在侧根形成初期，如果外源施加细胞分裂素，PIN的表达会因此受到抑制，生长素无法正常运输到侧根原基部位，使得侧根无法正常生成[22]。侧根的不同部位对于细胞分裂素的敏感度不同，导致PIN1蛋白的定位也随之发生变化，更多生长素聚集在原基顶端，从而促进侧根发育[23]。由此可见，细胞分裂素不仅能够控制生长素的向外运输，同时，其在植物组织形成过程中作为生长素极性运输的开关，控制生长素流动的方向。

2.3 细胞分裂素调控花器官起始

植物地上部组织存在着1个与根部分生组织(root apical meristem，RAM)相似的结构——顶端分生组织(shoot apical meristem，SAM)。SAM的组织中心与RAM的静止中心相类似，也是由一部分有丝分裂不活跃的细胞包裹原始干细胞形成的，SAM的细胞由细胞分裂不活跃的中心区域移入到细胞分裂活跃的外围区域，促进地上组织的形成[24]。水稻细胞分裂素活化酶基因LOG能够调控水稻细胞分裂素的合成，维持分生组织的活性，其突变体的枝梗数和小穗数均明显减少，花器官也无法正常发育[25]。此外，水稻OSH1基因能够调控IPT的表达来增加顶端分生组织细胞分裂素的含量[26]，细胞分裂素响应因子OsRRs在水稻花序形成过程中发挥重要作用[27]。由此可见，细胞分裂素在水稻花器官形成过程中有着不可替代的作用。

3 细胞分裂素在农业生产中的应用

3.1 细胞分裂素在提高作物产量中的应用

作为植物体内重要的调控因子，细胞分裂素在提高作物产量中有重要作用。OsCKX2基因突变后，水稻花序组织中的细胞分裂素会积累，激活分裂活性，从而增加其可育性，增加单位产量[9]。不同时期施加细胞分裂素可提高大麦产量，灌浆期施加细胞分裂素的效果最显著[28]。作为玉米籽粒发育的关键时期，生殖生长时期直接决定着淀粉的积累状况，外源添加细胞分裂素能够增加玉米胚乳细胞数目，促进碳水化合物的积累，从而达到增产的目的[29]。此外，苹果树外源施加细胞分裂素后，苹果体积会增大，但并不影响果实的形状及下一年的产量，在梨树中也得到类似的结果，表明细胞分裂素对果实发育有重要作用[30]。

3.2 细胞分裂素在作物抗逆性中的应用

细胞分裂素不仅能够调控作物的器官形成，同时还能够提高作物的抗逆性，延缓植物的衰老。细胞分裂素能够直接或间接地清除氧自由基，减少脂质的过氧化作用，改变细胞膜中脂肪酸的比例[31]。与此同时，细胞分裂素还能够增加植物叶片中叶绿素和可溶性蛋白的含量，在一定程度上延缓了植物衰老。对叶面喷施6-BA可以提高玉米幼苗的抗旱性，保持膜保护酶在干旱条件下的活性，从而维持玉米的产量[32]。

逆境条件下，作物的细胞分裂素水平会发生变化，进而影响其他激素的信号转导过程，导致其他代谢过程的变化[33]。植物在经受干旱胁迫时，作为植物自身保护机制的途径之一，细胞分裂素会明显下降，脱落酸含量会明显升高，而脱落酸能够调控气孔的开闭运动，从而激活植物体内的应激反应[34]。

3.3 细胞分裂素在组织培养中的应用

细胞分裂素在植物组织培养过程中发挥了重要作用，将其和生长素按一定比例添加到培养基中，会诱导愈伤组织的分化和再生。例如棉花、松树等的组织培养中，外植体必须培养在细胞分裂素/生长素比例较高的培养基中，才能诱导芽的分化[35]。香蕉的组织培养中，细胞分裂素MT能够提高愈伤组织的增殖效率，并且在组织内不易积累。在梅花的离体培养中发现，细胞分裂素有利于不定芽的形成[36]。知母分蘖的组织培养中，当培养基中含有合适的细胞分裂素KT时，分蘖的不定芽和不定根均有所增加，其营养物质的积累量也明显增多[37]。

4 小结与展望

近年来，细胞分裂素的相关研究取得了重大进展。随着细胞分裂素代谢、运输等过程的逐渐清晰，人们对细胞分裂素在作物中的作用展现出更为浓厚的兴趣：细胞分裂素是如何在整体上调控植物的形态建成？在不同的胁迫环境下，细胞分裂素又是通过哪种信号通路来实现相互调控？在不同的物种中其调控机制是否相同？随着正向遗传学、反向遗传学的不断成熟，相应突变体材料日渐丰富，相应实验技术的不断完善及广泛应用，相信这些问题都会一一得到解答。

细胞分裂素作为参与植物生长发育的主要激素，在胚胎发育、根发育、分生组织发育、衰老等过程中具有重要的调控作用，上述过程均是影响产量性状的主要决定因素。当激素水平发生变化时，植物的产量肯定会相应发生改变，如何调控相关激素的含量，以此来最大限度地提高作物产量会是下一步研究的重点。单子叶植物与双子叶植物中细胞分裂素的作用有所差异，现在的互作研究主要集中在双子叶植物拟南芥上，而粮食作物主要为单子叶植物，加强对水稻等农作物细胞分裂素的研究对于促进农业发展有着重要的作用。

[1] MILLER C O, SKOOG F, OKUMURA F S, et al. Isolation, structure and synthesis of kinetin, a substance promoting cell division 1, 2 [J]. Journal of the American Chemical Society, 1956 (7): 1375-1380.

[2] SAKAKIBARA H. Cytokinins: activity, biosynthesis, and translocation [J]. Annual Review of Plant Biology, 2006, 57(57): 431-449.

[3] HABERER G, KIEBER J J. Cytokinins. New insights into a classic phytohormone [J]. Plant Physiology, 2002, 128(2): 354-362.

[4] TAKEI K, SAKAKIBARA H, SUGIYAMA T. Identification of genes encoding adenylate isopentenyltransferase, a cytokinin biosynthesis enzyme, inArabidopsisthaliana[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276(28): 26405-26410.

[5] IMMANEN J, NIEMINEN K, SMOLANDER O P, et al. Cytokinin and auxin display distinct but interconnected distribution and signaling profiles to stimulate cambial activity [J]. Current Biology, 2016, 26(15): 1990-1997.

[6] MIYAWAKI K, MATSUMOTO-KITANO M, KAKIMOTO T. Expression of cytokinin biosynthetic isopentenyltransferase genes inArabidopsis: tissue specificity and regulation by auxin, cytokinin, and nitrate [J]. Plant Journal, 2004, 37(1): 128-138.

[7] SCHMÜLLING T, WERNER T, RIEFLER M, et al. Structure and function of cytokinin oxidase/dehydrogenase genes of maize, rice,Arabidopsisand other species [J]. Journal of Plant Research, 2003, 116(3): 241-252.

[8] YEH S Y, CHEN H W, NG C Y, et al. Down-regulation of cytokinin oxidase 2 expression increases tiller number and improves rice yield [J]. Rice, 2015, 8(1): 36.

[9] ASHIKARI M, SAKAKIBARA H, LIN S, et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production [J]. Science, 2005, 309(5735): 741-745.

[10] GAO S, FANG J, XU F, et al. CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE4 integrates cytokinin and auxin signaling to control rice crown root formation [J]. Plant Physiology, 2014, 165(3): 1035-1046.

[11] ZHANG K, NOVAK O, WEI Z, et al.ArabidopsisABCG14 protein controls the acropetal translocation of root-synthesized cytokinins [J]. Nature Communications, 2014, 5(2): 3274.

[12] KO D, KANG J, KIBA T, et al.ArabidopsisABCG14 is essential for the root-to-shoot translocation of cytokinin [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(19): 7150-7155.

[13] ZÜRCHER E, LIU J, DI D M, et al. Plant development regulated by cytokinin sinks [J]. Science, 2016, 353(6303): 1027-1030.

[14] HWANG I, SHEEN J, MÜLLER B. Cytokinin signaling networks [J]. Annual Review of Plant Biology, 2012, 63(1): 353-380.

[15] BASKIN T I. Stunted plant 1 mediates effects of cytokinin, but not of auxin, on cell division and expansion in the root ofArabidopsis[J]. Plant Physiology, 2000, 124(4): 1718-1727.

[16] MOUBAYIDIN L, PERILLI S, DELLO I R, et al. The rate of cell differentiation controls theArabidopsisroot meristem growth phase [J]. Current Biology, 2010, 20(12): 1138-1143.

[17] MOUBAYIDIN L, DI M R, SOZZANI R, et al. Spatial coordination between stem cell activity and cell differentiation in the root meristem [J]. Developmental Cell, 2013, 26(4): 405-415.

[18] ZHANG W, SWARUP R, BENNETT M, et al. Cytokinin induces cell division in the quiescent center of theArabidopsisroot apical meristem [J]. Current Biology, 2013, 23(20): 1979-1989.

[19] MALAMY J E, BENFEY P N. Organization and cell differentiation in lateral roots ofArabidopsisthaliana[J]. Development, 1997, 124(1): 33.

[20] TO J P C, HABERER G, FERREIRA F J, et al. Type-AArabidopsisresponse regulators are partially redundant negative regulators of cytokinin signaling [J]. Plant Cell, 2004, 16(3): 658-671.

[21] CHANG L, RAMIREDDY E, SCHMÜLLING T. Lateral root formation and growth ofArabidopsisis redundantly regulated by cytokinin metabolism and signalling genes [J]. Journal of Experimental Botany, 2013, 64(16): 5021-2032.

[22] LAPLAZE L, BENKOVA E, CASIMIRO I, et al. Cytokinins act directly on lateral root founder cells to inhibit root initiation [J]. Plant Cell, 2008, 19(12): 3889-3900.

[24] KURAKAWA T, UEDA N, MAEKAWA M, et al. Direct control of shoot meristem activity by a cytokinin-activating enzyme [J]. Nature, 2007, 445(7128): 652-655.

[25] TSUDA K, ITO Y, SATO Y, et al. Positive autoregulation of a KNOX gene is essential for shoot apical meristem maintenance in rice [J]. Plant Cell, 2011, 23(12): 4368-4381.

[26] HIROSE N, MAKITA N, KOJIMA M, et al. Overexpression of a type-A response regulator alters rice morphology and cytokinin metabolism [J]. Plant & Cell Physiology, 2007, 48(3): 523.

[27] KERSTETTER R A, HAKE S. Shoot meristem formation in vegetative development [J]. Plant Cell, 1997, 9(7): 1001-1010.

[28] POWELL A F, PALECZNY A R, OLECHOWSKI H, et al. Changes in cytokinin form and concentration in developing kernels correspond with variation in yield among field-grown barley cultivars [J]. Plant Physiology & Biochemistry, 2013, 64(5): 33-40.

[29] 李小艳, 许晅, 朱同生, 等. 细胞分裂素对玉米产量性状的影响[J]. 中国农学通报, 2013, 29(36): 219-223.

[30] 陈洁. 细胞分裂素对植物生长发育的影响[J]. 现代园艺, 2012 (14): 14.

[31] 王三根, 梁颖. 6-BA对低温下水稻幼苗细胞膜系统保护作用的研究[J]. 中国水稻科学, 1995, 9(4): 223-229.

[32] 周洑生, 杨明祥, 陈正福, 等. 施用5406对玉米、水稻、高粱等作物抗性和产量的影响[J]. 耕作与栽培, 1989(3): 45-47.

[33] 王三根. 细胞分裂素在植物抗逆和延衰中的作用[J]. 植物学通报, 2000, 17(2): 121-126.

[34] 李跃强. 植物体内的信息传递——细胞分裂素在植物水分胁迫中的信息作用[J]. 自然杂志, 1997(2): 104-108.

[35] 王冬梅, 黄学林. 细胞分裂素类物质在植物组织培养中的作用机制[J]. 植物生理学报, 1996 (5): 373-377.

[36] 房顺达, 李志良, 罗万业. 梅花的离体培养研究[J]. 安徽农学通报, 2010, 16(23): 66-67.

[37] 袁凤英, 李秀芹, 朱孔杰. 激动素应用研究进展[J]. 广州化工, 2015 (23): 45-46.

(责任编辑：侯春晓)

2017-03-20

浙江省自然科学基金(LQ17C020001)