生長素在微生物調(diào)控根發(fā)育過程中的作用

張 宏，金 潔，王劍峰

(蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 細(xì)胞活動與逆境適應(yīng)教育部重點實驗室,蘭州 730000)

植物的根系作為植物的地下器官，主要作用是將陸生植物牢牢地固著于土壤中，正因如此，植物根系成為植物-土壤系統(tǒng)物質(zhì)交換的介質(zhì)，也是土壤微生物非常活躍的區(qū)域。有些微生物能改變植物根的發(fā)育，來增加植物對水分和營養(yǎng)的吸收，抵抗干旱和病害脅迫，最終增加生物量?，F(xiàn)已知的有益微生物包括以下 4 種：一是促進(jìn)植物生長或促進(jìn)植物固氮的根際細(xì)菌或根際真菌，二是形成根瘤的固氮菌， 三是叢枝菌根和外生菌根真菌，四是根部的內(nèi)生細(xì)菌和內(nèi)生真菌。許多研究表明，一些生物和非生物因素會影響植物-微生物關(guān)系的建立及發(fā)展。Slankis 闡述了營養(yǎng)、pH、溫度、濕度和通氣量對叢枝菌根形成的影響[1]。有些研究還揭示了土壤微生物的組成[2]，根部分泌的化學(xué)物質(zhì)[3]，以及植物年齡和植物特異性的微生物[2,4]對植物-微生物關(guān)系的影響。植物與微生物通過蛋白質(zhì)、代謝產(chǎn)物或揮發(fā)有機(jī)化合物進(jìn)行信息交流。例如，植物分泌的化學(xué)物質(zhì)誘導(dǎo)雙色蠟?zāi)?(Laccariabicolor) 分泌小的分泌蛋白7 (MiSSP7)，其用來幫助該菌和楊樹建立互利關(guān)系[5]。植物激素生長素、乙烯和茉莉酸代表另一類的信號分子影響植物-微生物的互作關(guān)系[6-9]。

生長素在植物生長發(fā)育過程中扮演著不同的角色。在細(xì)胞水平，生長素調(diào)控植物細(xì)胞的分裂、伸長和分化；對整體植株而言，它又有助于植物器官的形成，如根、芽、葉、花器官及果實，生長素還參與到了維管組織分化和植物向性反應(yīng)中，如植物的向重力性和向光性。近年來許多重要的科研成果揭示了生長素合成、信號和極性運輸在根發(fā)育過程中的作用[10-12]，簡單地概括為生長素抑制根的伸長、促進(jìn)側(cè)根的發(fā)育。側(cè)根的發(fā)育涉及了一系列的細(xì)胞分裂，并激活中柱鞘細(xì)胞逐漸形成側(cè)根原基，最后發(fā)育成成熟的側(cè)根[13],調(diào)節(jié)生長素的合成、信號和極性運輸都會影響側(cè)根的起始、發(fā)育、形成和伸長[14-15]。

早在1940年科學(xué)家第一次報道了植物激素在微生物與植物的相互作用中起著重要的作用[16]。 Slankis歷史性的實驗證明了生長素在松樹菌根真菌形成中起到了重要作用[17]。現(xiàn)有研究表明，很多微生物能合成生長素并影響植物的發(fā)育[9]。據(jù)估計，80% 的根際細(xì)菌可以產(chǎn)生生長素，促進(jìn)植物的生長。尤其是促進(jìn)根長、側(cè)根及根毛數(shù)目的增加。這些形態(tài)學(xué)的變化是由于植物對于生長素的快速響應(yīng)，從而導(dǎo)致植物細(xì)胞的伸長、分裂和分化[18]。然而生長素和生長素信號通路的精確作用在植物-微生物的相互作用中知之甚少。本文將從生長素的合成、極性運輸和信號是如何參與到微生物調(diào)控植物根發(fā)育等方面入手，闡明其作用機(jī)理。

1 生長素合成在微生物調(diào)控植物根生長發(fā)育過程中的作用

生長素的合成涉及了多條通路，主要是依賴于色氨酸途徑和不依賴于色氨酸途徑[19]。生理學(xué)證據(jù)表明增加內(nèi)源生長素含量和外施生長素都可以促進(jìn)根的形成，這個過程是以生長素劑量依賴的方式進(jìn)行的[20]。外生菌根真菌粘滑菇 (Hebelomacylindrosporum) 通過增加海岸松內(nèi)源生長素的含量來增加松樹主根長度和側(cè)根數(shù)目，相比野生型，過量產(chǎn)生 IAA 的外生菌根真菌粘滑菇與海岸松共培養(yǎng)時，可以形成更多的叢枝菌根[21]。外生菌根真菌雙色蠟?zāi)⒛芡ㄟ^增加歐洲云杉內(nèi)源生長素的含量而增加云杉側(cè)根的數(shù)目，例如，接種了雙色蠟?zāi)?43 d云杉較未接種的相比側(cè)根數(shù)目增加了 5.3 倍[22]。與此類似，雙色蠟?zāi)⑴c楊樹共培養(yǎng)時也可以誘導(dǎo)與 IAA 結(jié)合的GH3 相關(guān)基因的表達(dá)，例如PtaGH3-1、PtaGH3-2、PtaGH3-7 和PtaGH3-8[23]，從而促進(jìn)側(cè)根數(shù)目的增多。當(dāng)用非叢枝菌根真菌侵染植物時，這種變化并沒有被檢測到，表明PpGH3-16 的下調(diào)表達(dá)與特異性的外生菌根有關(guān)[24]。用促生細(xì)菌油菜葉瘤桿菌(Phyllobacteriumbrassicacearumstrain STM196) 侵染擬南芥幼苗，其側(cè)根長度增加了近 50%，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)油菜葉瘤桿菌誘導(dǎo)了生長素合成通路中一些酶的表達(dá)[25]。內(nèi)生真菌印度梨形孢 (Piriformosporaindica) 能通過增加擬南芥內(nèi)源生長素的含量來增加擬南芥?zhèn)雀鶖?shù)目和根的生物量，Sirrenberg 等研究表明植物與印度梨形孢相互作用后表型與外施 IAA 的表型相似，真菌產(chǎn)生低濃度的 IAA，證明了內(nèi)源生長素對于真菌促進(jìn)擬南芥根系發(fā)育具有重要的作用[26]。另外，有趣的是擬南芥過量產(chǎn)生 IAA 突變體sur1 的表型能被印度梨形孢緩解，表明微生物通過對 IAA 的結(jié)合降低其濃度來緩解sur1 的表型[27]，當(dāng)減少了piTam1 (將色氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)?IAA 的一個關(guān)鍵基因) 表達(dá)的印度梨形孢突變體定殖于大麥時，并沒有促進(jìn)植物的生長[28]，表明微生物的 IAA 對于建立共生關(guān)系是至關(guān)重要的。外生菌根真菌波氏塊菌 (Tuberborchii)和黑孢塊菌 (Tubermelanosporum) 通過促進(jìn)百瑞木內(nèi)源生長素和乙烯的積累來增加百瑞木側(cè)根的數(shù)目，抑制百瑞木主根的生長[29]?？莶菅挎邨U菌 (BacillussubtilisGB03) 釋放的揮發(fā)性有機(jī)物促進(jìn)了生長素合成通路中相關(guān)酶的表達(dá)，這個現(xiàn)象支持了揮發(fā)物調(diào)控生長素穩(wěn)態(tài)的作用機(jī)理[30]。

上述介紹的微生物類群都通過影響植物激素生長素的合成進(jìn)而影響植物根的發(fā)育。與此同時，有些研究還檢測了與有益微生物相互作用的植物生長素水平的變化，例如生長素的合成、結(jié)合和降解。用濾膜過濾收集豆包菌 (Pisolithustinctorius) 和卷緣網(wǎng)褶菌 (Paxillusinvolutus) 的代謝物，并處理歐洲赤松發(fā)現(xiàn)其內(nèi)源的 IAA 濃度降低[31]，根際細(xì)菌油菜葉瘤桿菌與擬南芥共培養(yǎng)時，擬南芥內(nèi)源 IAA 濃度也降低[32]。反之，植物內(nèi)源生長素的含量也會影響叢枝菌根的活性，例如過量產(chǎn)生長素突變體增加了叢枝菌根的活性[33-34]。當(dāng)用根內(nèi)球囊霉侵染旱金蓮時，內(nèi)生的 IAA、吲哚-3-丁酸 (IBA) 和苯乙酸 (PAA) 的含量明顯地發(fā)生了變化[35]。在玉米中，根內(nèi)球囊霉 (Glomusintraradices) 可以引起內(nèi)源自由 IBA[36]和結(jié)合態(tài) IBA 含量的增加[37]。這些結(jié)果表明，微生物直接或間接地通過影響生長素的合成、降解或結(jié)合來調(diào)節(jié)植物生長素的穩(wěn)態(tài)。最新研究表明，從玉米根部分離到的一株促生菌甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌 (BacillusmethylotrophicusM4-96) 通過分泌揮發(fā)性的氣體，增加擬南芥主根的長度、側(cè)根數(shù)目、芽和根的鮮重，并增加了擬南芥 IAA 的含量[38]。另外，解淀粉芽孢桿菌 (BacillusamyloliquefaciensSAY09) 通過增加擬南芥生長素的含量緩解了鎘的毒害，且增加了擬南芥的干重[39]。多粘芽孢桿菌 (PaenibacilluspolymyxaE681) 與擬南芥共培養(yǎng)后，利用代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)該菌增加了色氨酸，吲哚-3-乙腈 (IAN)，吲哚-3-乙酸 (IAA)的含量[40]。

2 生長素信號在微生物調(diào)控植物根生長發(fā)育中的作用

生長素信號通路涉及了 F-box 受體轉(zhuǎn)運抑制子響應(yīng)1 (TIR1)、抑制子 AUX/IAA 和生長素響應(yīng)轉(zhuǎn)錄因子[10,41]。生長素結(jié)合到 E3 連接酶受體后，促使AUX/IAA蛋白泛素化，進(jìn)而被 26S 蛋白酶體降解，從而解除了對ARF蛋白的抑制作用，ARF作為轉(zhuǎn)錄因子激活生長素相關(guān)基因的表達(dá)。研究表明，生長素信號通路中的很多元件都涉及到了根的發(fā)育[42]。

利用生長素響應(yīng)報告基因DR5∷GUS為研究對象，提供了一個檢測生長素水平或信號在植物-微生物互作中響應(yīng)的方法。枯草芽孢桿菌 (BacillussubtilisGB03) 和芽孢桿菌 (Bacillussp. LZR216) 增加了擬南芥根尖DR5∷GUS的表達(dá)[30,43]。相似地，油菜葉瘤桿菌誘導(dǎo)擬南芥主根和側(cè)根根尖DR5∷GUS的表達(dá)[32]。楊樹和擬南芥與雙色蠟?zāi)⒐才囵B(yǎng)時，增加了生長素響應(yīng)基因在側(cè)根根尖的表達(dá)[23]。木霉菌 (Trichodermavirens) 侵染擬南芥后誘導(dǎo)了其根尖DR5∷GUS的表達(dá)[25]。熒光假單胞菌 (PseudomonasfluorescensWCS417) 增強(qiáng)了植物DR5∷vYFPNLS在擬南芥根中的表達(dá)強(qiáng)度[44]。與此類似，促生菌甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌也可以增加擬南芥中DR5∷GUS的表達(dá)量[38]。

利用遺傳學(xué)和藥理學(xué)的方法，證明了生長素信號在植物-微生物互作并改變植物根系結(jié)構(gòu)中起到了重要作用。擬南芥生長素信號缺陷突變體axr1-3 與木霉菌和油菜葉瘤桿菌共培養(yǎng)時，促生作用明顯減弱[25,32]。同樣的，擬南芥生長素受體三突tir1afb2afb3和生長素信號單突axr1-12在響應(yīng)熒光假單胞菌時，側(cè)根形成嚴(yán)重受損，側(cè)根數(shù)目減少了大約60%[44]。這些結(jié)果表明，生長素信號途徑對于植物響應(yīng)微生物是必須的。油菜葉瘤桿菌侵染擬南芥后，根部的TIR1 和IAA17/AXR3 基因轉(zhuǎn)錄水平分別下調(diào)了 2 倍和 1.5 倍[32]。銅綠假單胞菌 (Pseudomonasaeruginosa) 產(chǎn)生的類似生長素小分子的二酮哌嗪類物質(zhì)通過影響受體F-box蛋白，進(jìn)而調(diào)控ARF7和ARF19的生長素信號調(diào)控根的發(fā)育[45]。雙色蠟?zāi)⑴c楊樹共培養(yǎng)時，導(dǎo)致楊樹根部PtIAA28.1基因下調(diào)表達(dá)[23]，雙色蠟?zāi)⒁部梢哉{(diào)控歐洲赤松根部IAA88 基因的動態(tài)變化[46]。印度梨形孢緩解了過量產(chǎn)生 IAA 的擬南芥突變體sur1 矮小的表型，并降低了IAA6 基因的表達(dá)[27]，最新研究表明，伯克氏菌 (BurkholderiaphytofirmansPsJN) 能促進(jìn)野生型擬南芥的生長，但是不能促進(jìn)生長素信號突變體axr1-5的生長[47]。綜上所述，生長素信號在植物-微生物的互作中起著非常重要的作用。

3 生長素極性運輸在微生物調(diào)控植物根生長發(fā)育中的作用

生長素的內(nèi)流蛋白，例如 AUX1 和類生長素 (LAX)，及生長素的外流蛋白 PIN 和 ATP 結(jié)合盒/多藥物抗性/P-糖蛋白 (ABCB/MDR/PGP) 都可以調(diào)節(jié)根的發(fā)育[48-49]，近期研究揭示了在根瘤形成過程中生長素的極性運輸和合成機(jī)制[9,50]。枯草芽孢桿菌侵染擬南芥時，生長素極性運輸抑制劑N-1-氨甲酰苯甲酸萘酯 (N-1-naphthylphthalamic acid, NPA) 阻斷了擬南芥芽尖生長素合成的積累，并抑制了根部生長素的水平，從而消除了枯草芽孢桿菌對擬南芥?zhèn)雀l(fā)育的影響，并且該菌釋放的揮發(fā)物質(zhì)下調(diào)了生長素外流基因的轉(zhuǎn)錄水平[30]，暗示生長素極性運輸在微生物調(diào)控植物根系發(fā)育過程中起到了重要的作用。雙色蠟?zāi)⑴c楊樹共培養(yǎng)時，增加了楊樹生長素內(nèi)流基因PtaAUX6和外流運輸基因PtaPIN2、PtaPIN4、PtaPIN9 和PtaPIN12 的表達(dá)；雙色蠟?zāi)⑴c擬南芥共培養(yǎng)時，明顯地增加了生長素極性運輸突變體aux1 和pin3 側(cè)根的數(shù)目，但是雙色蠟?zāi)s不能明顯地增加pin2 和pin2,3,4,7 突變體側(cè)根數(shù)目[23]。用熒光假單胞菌處理擬南芥之后，側(cè)根數(shù)目增多；添加 1 μmol/L NPA 后，嚴(yán)重影響了該菌對于側(cè)根的促生作用；添加 5 μmol/L NPA后，無論WCS417是否存在，擬南芥都不再產(chǎn)生側(cè)根。這些結(jié)果暗示了生長素極性運輸抑制劑 NPA 可以抑制該菌對擬南芥?zhèn)雀拇偕饔肹44]。 油菜葉瘤桿菌可以增加擬南芥?zhèn)雀拈L度，但是在擬南芥生長素極性運輸突變體aux1-100中此現(xiàn)象消失[32]。木霉菌侵染生長素極性運輸突變體aux1-7、doc1 和pin2 后，減弱了該菌對突變體的促生作用[25]。番茄生長素運輸突變體polycotyledon(pct) 減少了根內(nèi)球囊霉在其整株幼苗中的定殖[51]。芽孢桿菌 (Bacillussp. LZR216) 與擬南芥共培養(yǎng)后，降低了擬南芥 PIN1/PIN2/PIN3/AUX1 蛋白的含量，外源添加 NPA 能消除 LZR216 對主根的抑制以及對側(cè)根數(shù)目的增加，并緩解 LZR216 對 PIN1/PIN2/PIN3/AUX1 蛋白水平的下調(diào)[43]。相似地，外源添加8 μmol/L NPA 也可以消除甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌對擬南芥主根伸長以及側(cè)根數(shù)目增加的促生作用[38]。伯克氏菌不能促進(jìn)生長素極性運輸突變體pin2 主根的生長，并且在外源添加NPA后，消除了該菌對根系結(jié)構(gòu)的影響[47]。上述結(jié)果表明生長素的極性運輸參與了植物-微生物的互作，并發(fā)揮了重要作用。

4 結(jié) 語

目前，一些研究文章和綜述都提供了多種有利的證據(jù)支持生長素的合成、生長素信號和生長素極性運輸在微生物調(diào)控植物根系發(fā)育過程中起著重要的作用。近年來，過多的研究都集中在生理水平闡述微生物調(diào)控根系的發(fā)育，僅有少量研究從分子水平揭示其調(diào)控機(jī)理。在本文中，研究者大多利用生長素通路中的相關(guān)突變體證明生長素合成、信號和極性運輸參與了微生物調(diào)控根系發(fā)育的過程。因此，并不能確定生長素在微生物調(diào)控根系發(fā)育過程中起著直接作用還是間接作用。為了全面了解生長素通路在微生物調(diào)控根系發(fā)育過程中的作用，應(yīng)該建立更加完善的分離微生物代謝產(chǎn)物的方法，能準(zhǔn)確全面地分離出微生物的代謝物，進(jìn)一步確定其代謝物是否影響了植物生長素的合成、信號和極性運輸，進(jìn)而調(diào)控植物根系的變化。微生物和植物共培養(yǎng)時，微生物既能分泌氣體，也能分泌化學(xué)物質(zhì)，導(dǎo)致微生物改變了植物根系的發(fā)育，為了弄清楚具體分泌成分的作用機(jī)理，在以后的研究中應(yīng)致力于建立更科學(xué)、更全面的微生物-植物共培養(yǎng)方法，設(shè)計更有效的微生物代謝成分提取分析策略，有利于進(jìn)一步揭示微生物調(diào)控植物根系發(fā)育的機(jī)理。