磷脅迫與激素對(duì)煙草根系發(fā)育的影響及其可能機(jī)理

煙臺(tái)是一種耐旱的植物。世界上每年種植150萬(wàn)多株香煙，總面積超過(guò)400萬(wàn)噸。然而目前,全球煙葉質(zhì)量參差不齊,我國(guó)的煙葉質(zhì)量也存在煙葉鉀含量偏低,煙堿含量偏高等突出問(wèn)題。隨著人們對(duì)自身健康的日益關(guān)注,提高煙葉品質(zhì)、降低煙葉中的有害成分已成為國(guó)內(nèi)外煙草行業(yè)的必然趨勢(shì)。煙草根系的發(fā)育狀況與煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)關(guān)系密切,苗期根系良好的形態(tài)建成是煙草后期健壯生長(zhǎng)和抗逆高產(chǎn)的基礎(chǔ)。因此,研究煙草根系發(fā)育機(jī)理,提高煙葉質(zhì)量和產(chǎn)量顯得很有必要。當(dāng)前,以農(nóng)藝措施來(lái)提高煙葉產(chǎn)量和品質(zhì)已經(jīng)到達(dá)了瓶頸,并且國(guó)內(nèi)對(duì)煙草根系的研究都僅僅停留在形態(tài)和栽培措施上,對(duì)煙草根際調(diào)控機(jī)制及激素對(duì)煙草根系發(fā)育的影響等基礎(chǔ)理論研究較少。基于這種情況下,筆者對(duì)磷脅迫和激素對(duì)植物根系發(fā)育的影響及其可能機(jī)理進(jìn)行了綜述,以便為煙草根系發(fā)育的基礎(chǔ)理論研究提供進(jìn)一步的參考。1牧草根系的相關(guān)特征及側(cè)根發(fā)育機(jī)制1.1高莖深栽和培土煙草的根由主根、側(cè)根和不定根3部分組成,側(cè)根和不定根發(fā)達(dá),是煙草根系的主要部分。主根和一級(jí)側(cè)根上可產(chǎn)生二級(jí)側(cè)根和三級(jí)側(cè)根,不定根則產(chǎn)生于煙苗莖基部,可通過(guò)高莖深栽和培土措施而大量產(chǎn)生。有報(bào)告指出,通過(guò)高莖深栽和培土措施可產(chǎn)生兩層煙草根系,即不定根層和側(cè)根層。煙草根系生物量通常隨土層厚度增加而減少,使得煙草根系呈“T”型。研究表明根系生長(zhǎng)有兩個(gè)高峰,即旺長(zhǎng)期和圓頂期。旺長(zhǎng)期通常在煙苗移栽后一個(gè)月左右,根系干重增加很快。圓頂期由于打頂?shù)脑虼碳煵莸?次產(chǎn)生新根,根量增加。煙苗前期根主要處于形態(tài)建成階段,后期根系會(huì)大量積累干物質(zhì)。1.2生長(zhǎng)素應(yīng)激基因檢測(cè)側(cè)根是植物根系統(tǒng)形態(tài)特征的一個(gè)重要參數(shù),在養(yǎng)分吸收、錨定植株以及根際共生系統(tǒng)的建立等方面起著關(guān)鍵作用。側(cè)根的發(fā)育可以大致分為三個(gè)階段:側(cè)根原基細(xì)胞的特化;側(cè)根原基的形成及生長(zhǎng)點(diǎn)的活化;側(cè)根的生長(zhǎng)。近年來(lái),在對(duì)側(cè)根發(fā)生發(fā)育的分子機(jī)理研究中,一些與側(cè)根發(fā)生發(fā)育有關(guān)的基因被相繼克隆出來(lái),包括細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因、結(jié)構(gòu)蛋白基因、生長(zhǎng)素應(yīng)答基因、NACs家族基因等。細(xì)胞壁伸展蛋白基因HRGP屬于結(jié)構(gòu)蛋白基因,研究表明煙草的HRGPnt3基因所編碼的伸展蛋白是位于細(xì)胞壁上富含輕脯氨酸的糖蛋白,HRGPnt3在內(nèi)表皮細(xì)胞和形成側(cè)根的中柱鞘細(xì)胞中,特別是在有關(guān)側(cè)根發(fā)生的一些不連續(xù)的、小亞群細(xì)胞中表達(dá);而在側(cè)根形成的后期,主要在已成熟側(cè)根的根尖細(xì)胞中表達(dá),這表明HRGPnt3基因所編碼的細(xì)胞壁糖蛋白有特殊的結(jié)構(gòu)功能,可能起著穩(wěn)固細(xì)胞壁的作用,即在細(xì)胞突破主根上的表皮周?chē)M織而形成側(cè)根時(shí),使細(xì)胞能夠承受由此而產(chǎn)生的機(jī)械壓力。生長(zhǎng)素應(yīng)答基因包括RSI-1、AIR(AIR1、AIR3、AIR9、AIR12)、NAC1等,番茄的RSI-l基因受生長(zhǎng)素誘導(dǎo),主要在側(cè)根發(fā)育早期的側(cè)根原基中高水平表達(dá),而在其它根組織和地上部表達(dá)水平低。從擬南芥根系中分離的四個(gè)AIR克隆(AIR1、AIR3、AIR9、AIR12)基因也是受生長(zhǎng)素誘導(dǎo),在側(cè)根的形成過(guò)程中表達(dá)。從推測(cè)AIR基因的功能可知,在生長(zhǎng)素誘導(dǎo)側(cè)根形成的過(guò)程中,許多編碼胞外蛋白的基因被激活表達(dá),它們?cè)诩?xì)胞壁結(jié)構(gòu)的調(diào)整中起著重要作用。NAC1是NACs家族基因的成員之一,從擬南芥中克隆的NAC1基因是屬于NAC家族的一個(gè)新成員,受生長(zhǎng)素誘導(dǎo)表達(dá)。NAC1在調(diào)節(jié)生長(zhǎng)素信號(hào),促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育中起著重要作用。序列分析表明,NAC1是一個(gè)轉(zhuǎn)錄激活因子,能激活2個(gè)生長(zhǎng)素應(yīng)答基因AIR3和DBP的表達(dá)。NAC1的超表達(dá)還能恢復(fù)抗生長(zhǎng)素刺激突變體tirl的側(cè)根形成,表明NAC1基因作用于TIR基因的下游。2低磷誘導(dǎo)側(cè)根生長(zhǎng)當(dāng)植物感受到低磷脅迫時(shí),必然會(huì)產(chǎn)生某些信號(hào),進(jìn)而導(dǎo)致一系列可觀察到的反應(yīng),如形成一些耐低磷脅迫的適應(yīng)性形態(tài)、構(gòu)型及生理生化機(jī)制等自我拯救機(jī)制,包括根系形態(tài)構(gòu)型特征的改變、根系特異性分泌物的形成和分泌以及誘導(dǎo)某些酶及蛋白活性的變化等,以提高植物在缺磷環(huán)境中對(duì)磷素的吸收和利用。比如在低磷脅迫下,煙株為適應(yīng)脅迫環(huán)境,IAA/ZR(生長(zhǎng)素/細(xì)胞分裂素)比值增大,促進(jìn)了根系發(fā)育,使根冠比增大,提高了對(duì)磷的吸收效率。當(dāng)植物感受到低磷脅迫時(shí)會(huì)促進(jìn)植物根的生長(zhǎng)發(fā)育,但這種促進(jìn)作用因植物種類(lèi)和供磷水平濃度而異,甚至有可能表現(xiàn)為抑制作用。也有研究指出,在缺磷條件下,磷高效基因型具有淺根根構(gòu)型,而磷低效基因型具有深根根構(gòu)型。苗鴻鷹等將TaWRKY72b-1基因轉(zhuǎn)入煙草內(nèi),在低磷脅迫條件下,高表達(dá)TaWRKY72b-1的煙草植株干重、單株磷累積量和磷利用效率均較對(duì)照明顯增加,表明TaWRKY72b-1基因在改善低磷脅迫下作物的磷效率,具有較重要的應(yīng)用價(jià)值。在其他植物中,低磷顯著促進(jìn)水稻、大豆側(cè)根原基的發(fā)生,表現(xiàn)為低磷水平比高磷水平下側(cè)根原基的數(shù)量、側(cè)根數(shù)量和密度明顯增加。在擬南芥中,低磷加快側(cè)根原基的形成,促進(jìn)側(cè)根原基突破主根表皮,具體表現(xiàn)為低磷下發(fā)育較成熟的側(cè)根原基占總數(shù)的比例明顯大于高磷下的比例。在白羽扇豆中,低磷也可以誘導(dǎo)側(cè)根數(shù)量的增加,產(chǎn)生排根。還有報(bào)道認(rèn)為,低磷抑制側(cè)根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng),表現(xiàn)為抑制分生區(qū)細(xì)胞的有絲分裂,促進(jìn)其提早分化,最終導(dǎo)致側(cè)根的有限生長(zhǎng)。用報(bào)告基因CycB1︰1︰uidA的表達(dá)強(qiáng)度來(lái)標(biāo)記側(cè)根根尖中分生區(qū)的有絲分裂活動(dòng)強(qiáng)度活性研究結(jié)果表明,低磷抑制側(cè)根根尖中分生區(qū)的有絲分裂活動(dòng),并且這種抑制效應(yīng)與側(cè)根的發(fā)育程度有關(guān),即剛突破主根表皮的側(cè)根(0～5mm)根尖中分生區(qū)分裂活性與高磷下相似,但隨著發(fā)育程度的增加(側(cè)根長(zhǎng)為15～20mm),低磷逐漸減弱分生區(qū)的分裂活性,直至完全檢測(cè)不到CycB1︰1︰uidA的表達(dá)。另有報(bào)告認(rèn)為,在低磷環(huán)境下,可誘使植物主根明顯伸長(zhǎng),根的直徑變小,使得根易斷,根活力也下降。在低磷逆境下,植物挖掘自身潛力,充分活化和利用潛在磷是自身進(jìn)行磷饑餓拯救的重要機(jī)制,而這些機(jī)制的生理生化本質(zhì)是磷饑餓誘導(dǎo)的一系列基因的協(xié)同表達(dá)。其中一些基因的編碼產(chǎn)物,例如酸性磷酸酶、RNA酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、磷高親和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、與磷代謝有關(guān)的蛋白激酶、肌醇-6-磷酸酶等在植物吸收磷素營(yíng)養(yǎng)中起著著重要的調(diào)節(jié)作用。另外,還有一些受低磷誘導(dǎo)表達(dá)的基因也已初步為人所知,如:Ca2+-ATP酶、磷酸烯醇式丙酮酸酶、營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)藏蛋白、烯醇化酶、丙酮酸甲酸裂解酶、β-葡萄糖苷酶、功能未知基因TPS11、Mt4等。目前,關(guān)于低磷誘導(dǎo)側(cè)根有限生長(zhǎng)的遺傳機(jī)制尚不清楚,但與磷代謝相關(guān)的突變體的發(fā)現(xiàn)為這些機(jī)制的闡明提供了線索。Sanchez-Calderon等發(fā)現(xiàn)了11個(gè)對(duì)低磷不敏感的突變體(lowphosphorusinsensitive,lpi),這些突變體的主根在低磷下不表現(xiàn)出有限生長(zhǎng),并且這些突變體是對(duì)磷饑餓專(zhuān)一的突變。與野生型相比,lpi突變可以削弱主根發(fā)育、側(cè)根分枝以及根冠比等性狀對(duì)低磷的反應(yīng),同時(shí)該突變可以削弱一些低磷誘導(dǎo)的基因的表達(dá),例如AtPAP1、AtPT1、AtACP5和AtPT2。這些都說(shuō)明lpi突變可以恢復(fù)低磷下根尖生長(zhǎng)點(diǎn)的活性,所以,LPI可能是根尖生長(zhǎng)點(diǎn)活性相關(guān)基因的負(fù)調(diào)控因子。3生長(zhǎng)素促進(jìn)側(cè)根發(fā)育的機(jī)制提高煙葉品質(zhì)、降低煙葉中的有害成分已成為國(guó)內(nèi)外煙草行業(yè)的必然趨勢(shì)。但是傳統(tǒng)農(nóng)藝方法已經(jīng)不能滿足當(dāng)前的需求,人們轉(zhuǎn)而利用植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑(植物激素及其衍生物)對(duì)煙草的調(diào)節(jié)作用來(lái)改善煙株生長(zhǎng)發(fā)育中的代謝活動(dòng),從而改善煙葉品質(zhì)。大部分研究表明,五大類(lèi)經(jīng)典植物激素都能夠不同程度地影響植物根系的發(fā)育,試驗(yàn)表明:外源生長(zhǎng)素能夠促進(jìn)側(cè)根的發(fā)生;外源細(xì)胞分裂素及脫落酸抑制側(cè)根的發(fā)生;赤霉素沒(méi)有影響或影響甚微;乙烯則通過(guò)調(diào)控生長(zhǎng)素的代謝而起一定的作用,因此,側(cè)根發(fā)生的激素調(diào)控實(shí)際上就是指生長(zhǎng)素類(lèi)對(duì)側(cè)根發(fā)生的調(diào)控。Laskowski等發(fā)現(xiàn),早期離體的側(cè)根原基只有在外施生長(zhǎng)素的情況下才能繼續(xù)生長(zhǎng);Celenza等發(fā)現(xiàn)擬南芥alf3突變體可抑制側(cè)根原基的發(fā)展,而這種抑制可以被外施的生長(zhǎng)素所恢復(fù),即可充分說(shuō)明生長(zhǎng)素在側(cè)根原基發(fā)育方面的必要性。同時(shí),外源添加生長(zhǎng)素可增加側(cè)根數(shù)目;內(nèi)源生長(zhǎng)素水平升高的擬南芥突變體alf4-1、surl均表現(xiàn)出側(cè)根數(shù)量的顯著增加,均說(shuō)明生長(zhǎng)素對(duì)側(cè)根的形成具有促進(jìn)作用。利用細(xì)胞分裂素響應(yīng)基因啟動(dòng)子融合GUS的轉(zhuǎn)基因材料研究發(fā)現(xiàn):在側(cè)根發(fā)育早期階段,正在分裂的起始細(xì)胞內(nèi)檢測(cè)不到ARR5基因的表達(dá);而后期,在側(cè)根原基的基部會(huì)有較強(qiáng)的表達(dá)。這說(shuō)明增強(qiáng)細(xì)胞分裂素氧化酶基因的表達(dá),能促進(jìn)植株側(cè)根的發(fā)生。另外,在側(cè)根發(fā)育過(guò)程中,脫落酸可抑制側(cè)根頂端分生組織的激活,引起可見(jiàn)側(cè)根數(shù)目的大大減少。脫落酸是煙草側(cè)根發(fā)生的負(fù)調(diào)控因子,但不同的脫落酸濃度對(duì)秧苗根系發(fā)育的影響程度還尚未見(jiàn)報(bào)道。另外,一些類(lèi)激素物質(zhì)或次生代謝產(chǎn)物,如獨(dú)角金內(nèi)酯、油菜素內(nèi)酯、多肽等也被認(rèn)為在調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)發(fā)育方面以類(lèi)似激素的方式起作用。Klee認(rèn)為,獨(dú)角金內(nèi)酯可促進(jìn)植物形成共生關(guān)系,從而可以促進(jìn)植物根的生長(zhǎng)。Bao等提出,油菜素內(nèi)酯和生長(zhǎng)素在側(cè)根形成中的作用是增效的。但在不同植物中,激素對(duì)植物根系發(fā)育的調(diào)控作用也有差異。此外,關(guān)于側(cè)根的發(fā)生及其激素調(diào)控機(jī)制,還有很多問(wèn)題仍不清楚,有的試驗(yàn)結(jié)果甚至是相互矛盾的。當(dāng)前,國(guó)內(nèi)在植物激素對(duì)煙草的研究主要集中在應(yīng)用方面,而且這些研究主要在煙草生長(zhǎng)中后期,對(duì)生長(zhǎng)初期的煙苗研究較少。此外,國(guó)內(nèi)在激素對(duì)煙草調(diào)控的生理基礎(chǔ)以及分子機(jī)制方面研究得也不多。在國(guó)外,激素對(duì)植物根構(gòu)型調(diào)控的生理生化及遺傳基礎(chǔ),特別是分子生物學(xué)基礎(chǔ)研究得較多。例如,激素處理對(duì)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄的信使RNA豐度以及翻譯的相關(guān)蛋白含量的影響,激素對(duì)植物根內(nèi)相關(guān)酶活性及相關(guān)代謝過(guò)程的影響。對(duì)側(cè)根發(fā)生發(fā)育分子機(jī)理的研究中,一些與側(cè)根發(fā)生發(fā)育有關(guān)的基因被相繼克隆,如細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因、結(jié)構(gòu)蛋白基因、生長(zhǎng)素應(yīng)答基因、NACs家族基因等。植物體內(nèi)源激素很有可能會(huì)影響這些基因的表達(dá),從而對(duì)植物根系發(fā)育產(chǎn)生影響。4價(jià)格補(bǔ)充4.1煙苗根系發(fā)育關(guān)基因的表達(dá)煙苗前期,根系處于發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期,此時(shí)期與根系發(fā)育有關(guān)的基因會(huì)大量表達(dá),是對(duì)煙苗根系發(fā)育研究的最佳時(shí)期。在此基礎(chǔ)上,還應(yīng)加強(qiáng)與分子生物學(xué)、基因?qū)W、生物化學(xué)等其他學(xué)科的結(jié)合,以便更深入地研究煙草根系的發(fā)育機(jī)理和調(diào)控機(jī)制。4.2生長(zhǎng)素參與磷調(diào)控的生理基礎(chǔ)及分子機(jī)制不同元素對(duì)煙草根系的形態(tài)建成和代謝作用不同,在營(yíng)養(yǎng)缺乏的情況下,更能發(fā)現(xiàn)其特有作用以及煙草應(yīng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)脅迫的相關(guān)機(jī)理。磷脅迫對(duì)側(cè)根發(fā)育表型的調(diào)控已有一些報(bào)道,但人們對(duì)其調(diào)控的生理基礎(chǔ)以及分子機(jī)制還沒(méi)有明確的認(rèn)識(shí)。例如,植物如何感受外界磷信號(hào),以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)制。生長(zhǎng)素是否參與磷對(duì)側(cè)根發(fā)育的調(diào)控尚無(wú)定論,即便在支持生長(zhǎng)素參與磷調(diào)控的報(bào)道中,生長(zhǎng)素如何參與調(diào)控也沒(méi)有明確答案。另外