細胞分裂素參與氮素調控高等植物側枝形成和發(fā)育的作用機制研究

李維林，魏智文，楊海燕，吳文龍

（1.南京林業(yè)大學 林學院/南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210037；2.江蘇省中國科學院植物研究所果樹研究中心，南京 210014）

分枝是高等植物生長發(fā)育過程中的重要性狀之一，對作物株型、生物量和結實量以及環(huán)境適應力具有顯著影響。植物分枝發(fā)育過程包括腋生分生組織（axillary meristem，AM）形成和腋芽生長發(fā)育兩個階段，AM在葉腋處形成后，進一步發(fā)育成腋芽，在適宜條件下，腋芽能夠生長發(fā)育成側枝，否則繼續(xù)保持休眠狀態(tài)。植物分枝受腋生分生組織活力的影響，腋芽萌發(fā)增加了側枝數(shù)量。受遺傳因素影響，植物分枝類型主要包括單軸分枝、合軸分枝、二叉分枝、假二叉分枝和分蘗。比如，水稻、擬南芥和豌豆等植物的分枝構型。分枝生長發(fā)育除了受本身遺傳特征影響外，環(huán)境因素和植物激素對高等植物分枝形成和發(fā)育也具有重要調控作用。

植物激素在植物分枝發(fā)育過程中具有關鍵作用。大量研究表明，生長素、細胞分裂素和獨腳金內(nèi)脂是影響分枝的主要激素，而作為公認的第二信使，細胞分裂素被認為是促進分枝的關鍵因子。一般認為，細胞分裂素是參與調控植物生長發(fā)育的主要激素，在誘導芽分化、促進種子萌發(fā)、延緩葉片衰老、運輸和分配營養(yǎng)物質等方面都具有重要作用。此外，相關研究表明，細胞分裂素的合成、運輸、降解、信號轉導以及與其他激素和營養(yǎng)物質的互作作用等都能夠對植物分枝的生長發(fā)育產(chǎn)生影響。氮素是植物生命活動中所需的大量元素，在植物生命活動過程中具有生理調節(jié)功能，對植物生長發(fā)育和作物產(chǎn)量形成具有至關重要的作用。植物一般能夠利用土壤中的有機態(tài)氮和無機態(tài)氮兩種形式氮素，并且在生產(chǎn)過程中，施用氮肥的形態(tài)和水平與作物產(chǎn)量、形態(tài)和品質密切相關。另外，關于影響高等植物分枝方面，氮素和植物激素之間存在一定的聯(lián)系。氮素主要通過影響生長素、細胞分裂素、獨腳金內(nèi)脂等激素的合成和運輸，從而間接調控植物分枝，而細胞分裂素則作用于氮素的轉運、吸收和同化等過程，進而影響植物分枝形成和發(fā)育。目前，關于細胞分裂素和氮素共同參與調控植物側枝形成和發(fā)育的相關研究較少，因此，本研究主要通過闡述細胞分裂素和氮素在植物側枝生長發(fā)育過程中的功能和調控機制，以及細胞分裂素參與氮素調控植物側枝形成和發(fā)育的作用機制，并對后續(xù)的研究內(nèi)容提出相關建議，為植物側枝的生長發(fā)育研究提供一定的參考依據(jù)。

1 細胞分裂素的合成和功能

細胞分裂素是最早發(fā)現(xiàn)的植物激素之一，早在1955年，MILLER等在經(jīng)高壓滅菌的鯡魚精子DNA降解產(chǎn)物中分離出一種能夠促進細胞分裂與分化的物質，并將其命名為激動素。隨著越來越多的具有促進細胞分裂功能的物質被分離和發(fā)現(xiàn)，研究者將類似于激動素的生理活性和作用方式，能夠促進細胞分裂并且對植物具有其他生長發(fā)育調節(jié)功能的物質統(tǒng)稱為細胞分裂素。

1.1 細胞分裂素的合成

細胞分裂素是腺嘌呤衍生物且通常以類異戊二烯的形式存在于植物體內(nèi)，在高等植物中發(fā)現(xiàn)的細胞分裂素主要包括反式玉米素（tZ）、順勢玉米素（cZ）、二氫玉米素（DZ）和異戊烯腺嘌呤（iP）等（圖1），而反式玉米素型（tZ-CTK）和異戊烯基腺嘌呤型（iP-CTK)是植物體內(nèi)發(fā)揮主要作用的細胞分裂素。細胞分裂素在植物體內(nèi)的生物合成包括從頭合成和tRNA 分解兩條途徑。普遍認為，tZ 類和iP 類細胞分裂素的合成依賴于從頭合成途徑，該途徑是植物體內(nèi)主要的細胞分裂素合成途徑，負責大部分內(nèi)源細胞分裂素的合成，而作為次要途徑的tRNA 分解途徑則主要合成順式玉米素型細胞分裂素（cZ-CTK）。

圖1 植物中的主要細胞分裂素結構圖[34]Figure 1 Schematic diagram of major cytokinins in plants

從頭合成途徑是以異戊烯基側鏈為底物，包括AMP途徑、ATP/ADP途徑和旁路途徑（圖2）。細胞分裂素合成的第一步由異戊烯基轉移酶（IPT）催化，該酶也是細胞分裂素合成過程中的限速酶。AMP、ATP 和ADP 分別在IPT 的催化下生成單磷酸異戊烯基腺苷（iPRMP）、三磷酸異戊烯基腺苷（iPRTP）和二磷酸異戊烯基腺苷（iPRDP）等中間產(chǎn)物。其次，iPRMP、iPRTP 和iPRDP 等在細胞色素氧化酶P450（CYP735A）的作用下進一步轉化為核苷酸形式的反式玉米素核苷（tZR）。細胞分裂素合成的最后一步是在細胞分裂素磷酸核糖水解酶（LOG）的催化作用下合成iP、tZ 和DZ 等細胞分裂素。另外，相關研究表明，細胞分裂素氧化酶（CKX）是植物體內(nèi)唯一具有降解活性細胞分裂素功能的酶。iP 和tZ 等細胞分裂素在CKX 的作用下釋放出游離腺嘌呤或者游離腺嘌呤核苷，從而失去活性，完成降解過程。此外，通過形成配合物的方式也可以使細胞分裂素失去功能活性。在細胞分裂素的合成場所方面，之前的研究者認為，根系是細胞分裂素合成的唯一部位，根系合成的細胞分裂素再通過體內(nèi)運輸?shù)街参锏那o葉等地上部。國內(nèi)外研究者的進一步研究表明，根部只是細胞分裂素的主要合成場所，芽、葉、種子和果實等器官也具有合成細胞分裂素的功能。但植物不同場所合成的細胞分裂素類型具有差異，IPT3和LOG 基因在植物的根系和地上部分都可以表達，而CYP735A1 和CYP735A2一般只在根系中表達，因此，這些關鍵基因在不同部位表達水平的差異導致tZ-CTK 和iP-CTK 分別主要在植物的根系和地上部分合成。

圖2 細胞分裂素合成途徑Figure 2 Cytokinin synthesis pathway

1.2 細胞分裂素的功能

細胞分裂素廣泛參與植物的生理代謝活動，是植物體內(nèi)不可或缺的關鍵激素。細胞分裂素的首要功能是促進細胞分裂和體積擴大。一般情況下，在植物地上部分，施加細胞分裂素能夠顯著促進細胞增殖的能力，而與地上部分的促生作用相反，用細胞分裂素處理根系，在一定程度上抑制根系分生組織細胞分裂和分化，不利于根系的生長發(fā)育。李小艷等研究表明，細胞分裂素有助于玉米胚乳細胞數(shù)目增多；陳潔則認為，細胞分裂素對蘋果和梨的果實體積增大具有促進作用。

早期的研究發(fā)現(xiàn)，細胞分裂素能夠誘導愈傷組織分化，向煙草愈傷組織中添加不同比例的細胞分裂素和生長素能夠誘導其分化方向。結果表明，細胞分裂素濃度較高和生長素濃度較低時，有利于愈傷組織分化成芽，反之則促進根的形成，而兩者濃度相同時，愈傷組織只生長，不發(fā)生分化。同樣，利用該原理，在玉米、水稻、小麥等重要農(nóng)作物和楊樹、桉樹等用材樹種中也成功培養(yǎng)出了離體芽。

延緩植物葉片衰老是細胞分裂素特有的生理功能。用細胞分裂素處理葉片，能夠抑制葉綠素和蛋白質等物質水解酶的活性，減少活性氧的生成，進而降低葉片結構的破壞速度和緩解植物生理代謝的衰退程度，延緩葉片衰老。并且以擬南芥、黑麥草和黃瓜等植物為實驗材料，發(fā)現(xiàn)細胞分裂素對植物衰老具有負調控作用。同樣，植物離體葉片施用細胞分裂素后也能存活一定時間。

細胞分裂素在植物抗性方面也發(fā)揮著重要作用。在脅迫環(huán)境下，植物容易出現(xiàn)早衰現(xiàn)象，導致抗性減弱。相關研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)細胞分裂素含量影響植物的抗性，細胞分裂素延緩植物衰老的同時，能夠增強植物的抗逆性。此外，細胞分裂素對葉綠體發(fā)育、側枝發(fā)生、種子發(fā)育和光形態(tài)建成等方面也具有重要意義，并且在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施加細胞分裂素是提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質的重要措施。

2 氮素的功能

氮素是植物生長發(fā)育的關鍵因子，也是生產(chǎn)環(huán)境中的限制因素，被稱為“生命元素”，不僅是構成生物膜、原生質、細胞核、植物激素和植物體內(nèi)一系列含氮化合物的主要成分，而且在植物的細胞分裂與分化、光合作用、營養(yǎng)生長、生殖發(fā)育、抗逆性和其他生理代謝活動中具有不可替代的作用，影響著植物各階段的生長發(fā)育和作物產(chǎn)量及品質形成。

氮素形態(tài)和水平對植物生長發(fā)育能夠產(chǎn)生顯著影響。大量研究表明，植物通過根系吸收利用土壤中的無機氮和有機氮來滿足自身的氮素需求。硝態(tài)氮（NO-N）和銨態(tài)氮（NH-N）是植物利用的主要氮素來源，兩者不同的理化性質顯著影響植物對氮素的吸收、轉運和同化等過程，從而對植物的生長發(fā)育過程和生理代謝活動具有不同的調控效應。比如，果樹一般認為是喜硝植物，相關研究表明對果樹施用硝態(tài)氮肥能夠更好的促進營養(yǎng)生長，而水稻、茶葉和藍莓等則更偏向于吸收銨態(tài)氮，也有學者認為對大多數(shù)植物幼苗施用銨態(tài)氮肥的促進效果好于硝態(tài)氮。植物根系是吸收土壤中氮素的重要器官，氮素形態(tài)對其形態(tài)和生產(chǎn)力等方面具有直接影響。正常條件下，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮都有利于植物根系生物量的積累，但在根系生長的作用效果方面差異顯著。研究表明，植物根系吸收硝態(tài)氮后，有利于根系側根數(shù)目增加和長度伸長，而銨態(tài)氮則抑制根系的生長，但當兩種形態(tài)的氮素施加濃度過高時，都對植物根系的生長發(fā)育有一定的抑制作用。許多研究發(fā)現(xiàn)，氮素也是植物光合作用的重要調控物質。一般來說，對植物施加適宜濃度的氮素，能夠提高植物的氮素利用效率，進而增加植物葉片葉綠素的含量和暗反應中部分酶的活性，植物的光合作用得以增強。同樣，氮素形態(tài)也能夠影響作物的光合作用，銨態(tài)氮有利于作物的光合作用，但處理濃度過高容易導致植物產(chǎn)生銨毒作用，而硝態(tài)氮在一定程度上會降低葉片葉綠素含量，抑制植物的光合作用。供氮水平也直接影響作物品質和產(chǎn)量，在果樹的穩(wěn)果期時，氮素不足或者施氮過量都會導致落花落果，對果實的品質和產(chǎn)量產(chǎn)生影響。關于氮素影響作物品質和產(chǎn)量方面已有大量的研究報道，但相關結果都表明作物品質和產(chǎn)量的提高依賴于合理的氮素形態(tài)配比。

3 氮素在植物側枝發(fā)育過程中的功能

作為與植物生命活動關系密切的營養(yǎng)元素，氮素在調控植物側枝發(fā)育方面具有重要作用。BRAIN 等認為，氮素主要通過營養(yǎng)途徑和信號途徑對植物生理代謝活動產(chǎn)生影響，從而調控植物生長發(fā)育。一般而言，施用氮肥對植物的營養(yǎng)生長具有顯著影響并且利于植物分枝，氮素能夠調控植物體內(nèi)營養(yǎng)物質的運輸，協(xié)調養(yǎng)分在植物地上部分和地下部分之間分配，進而影響植物的根冠比，對植物分枝的作用效果顯著，特別是在蔬菜產(chǎn)業(yè)中，氮肥的應用十分廣泛和關鍵，氮素促進營養(yǎng)物質向莖葉器官運輸，能夠顯著提高蔬菜的產(chǎn)量和品質，而氮元素缺失則會降低植物分枝發(fā)生率，側枝數(shù)量減少，促進側根數(shù)量增加，導致根冠比大大增加。因此，氮素對植物體內(nèi)營養(yǎng)資源的分配為分枝發(fā)生和生長發(fā)育創(chuàng)造了良好的營養(yǎng)條件，其供應水平直接影響植物的分枝形成和發(fā)育過程。另外，影響植物內(nèi)源激素水平是氮素調控分枝的重要手段，氮素不僅是生長素、細胞分裂素、獨腳金內(nèi)酯等主要植物激素的重要組成成分，也能通過調控植物內(nèi)源激素的合成和運輸?shù)韧緩絹碛绊懼参锓种?。有學者認為，氮素有利于根系細胞分裂素的合成，誘導細胞分裂素從根部向莖葉運輸，促進植物側枝生長。對擬南芥的相關氮素研究表明，土壤中氮素含量增加后，能夠上調擬南芥中

IPT3

、

IPT5

和

CYP735A2

等細胞分裂素合成基因的表達，提高根系中的細胞分裂素水平，有利于細胞分裂素向地上部分運輸并積累，從而促進分枝。相反，如果對擬南芥的硝酸鹽供應不足則會導致側芽激活延遲，分枝數(shù)量減少。同樣，早期研究發(fā)現(xiàn)，氮素對水稻分蘗生長發(fā)育具有顯著的作用效果，氮素使水稻分蘗莖節(jié)處的

OSIPT1

基因表達水平增強，在一定的氮素濃度范圍內(nèi)，分蘗節(jié)中的細胞分裂素水平隨著氮素含量的增加而提高，并且氮素濃度對水稻分蘗數(shù)的發(fā)生具有明顯的正向調控作用。因此，氮肥高效施用是增加水稻分蘗數(shù)，獲得水稻高產(chǎn)的重要技術措施。一般情況下，獨腳金內(nèi)酯能夠抑制植物腋芽的生長發(fā)育，對側枝形成和發(fā)育具有負面影響。關于番茄的研究發(fā)現(xiàn)，低氮環(huán)境下會促進番茄體內(nèi)獨腳金內(nèi)酯的含量，進而抑制番茄側枝生長，而在提高一些植物的氮素水平后，則減少植物體內(nèi)獨腳金內(nèi)酯的合成，使得植物分枝增加。有趣的是，氮素水平并不直接影響豆科植物中獨腳金內(nèi)酯的含量。另外，氮素也能通過影響植物體內(nèi)生長素的合成和運輸?shù)韧緩絹碚{控分枝過程?？傊貙χ参飩戎π纬珊桶l(fā)育的影響是營養(yǎng)水平和激素調控的雙重作用。當然，氮素相關基因也在調控植物分枝方面發(fā)揮著關鍵作用。有研究表明，在氮脅迫條件下，擬南芥中一種谷氨酰胺（Gln）轉移酶基因—

GAT1_2.1

基因（At1g15040)受到超過50倍的抑制，同時擬南芥的分枝形成和發(fā)育也受到顯著影響，氮調控的

GAT

基因突變會導致植株出現(xiàn)分枝變多的現(xiàn)象，特別是gat1_2.1 突變體的分枝數(shù)顯著增加。同樣，水稻中也存在與氮素相關的基因，比如

GS1;2

，該基因對水稻的分蘗生長具有影響，

gs1;2

的突變使水稻的分蘗數(shù)減少，并且該突變體使根莖結合處與碳代謝和氮代謝相關的基因表達下調，進而影響木質部的合成。

4 細胞分裂素在植物側枝發(fā)育過程中的功能

作為參與植物分生組織活動調控和相關基因表達的信號分子，細胞分裂素在植物分枝過程中扮演著重要角色。相關研究表明，細胞分裂素主要通過影響生長素從莖頂端向基部的極性運輸和調節(jié)芽中生長素的生物合成兩種途徑調控植物腋芽生長。因此，激素間的互作作用對植物分枝的調控十分關鍵。普遍認為，細胞分裂素能夠激活側芽，促進植物分枝，而生長素和獨腳金內(nèi)酯則會抑制植物腋芽和側枝形成，這3 種激素共同組成激素影響植物分枝的主要調控系統(tǒng)網(wǎng)絡。細胞分裂素不僅是生長素重要的第二信使，而且能夠消除生長素對植物側枝生長的抑制作用，但生長素也會阻礙細胞分裂素的生物合成和體內(nèi)運輸。比如，DIERCK 等在激素影響菊花腋芽生長的研究中得出生長素水平和細胞分裂素水平成反比關系的結論。另外，頂芽產(chǎn)生的生長素是植物維持頂端優(yōu)勢的重要因素。對豌豆進行摘心處理發(fā)現(xiàn)，

PSIPT1

和

PSIPT2

等細胞分裂素相關合成基因的表達水平增加，導致豌豆莖節(jié)處和側芽中的細胞分裂素含量顯著增加，促進側芽形成側枝，頂端優(yōu)勢現(xiàn)象消失，但在去除頂芽處施加生長素后卻能夠抑制該現(xiàn)象的發(fā)生。進一步研究表明，頂芽釋放的生長素并不會直接抑制側芽生長，側芽形成和發(fā)生需要細胞分裂素的合成和信號轉導等途徑發(fā)生作用。在頂芽未去除的情況下，用外源細胞分裂素處理植株，同樣能夠促進側芽生長。在關于細胞分裂素調控煙草的研究中表明，降低煙草體內(nèi)的細胞分裂素含量不利于芽和頂端分生組織的發(fā)育，而追加外源細胞分裂素后，則有助于側枝形成和生長。關于IAA/CTK的比值調控植物側芽生長的相關研究也證明了生長素和細胞分裂素在影響植物分枝方面的緊密聯(lián)系?？傊?，細胞分裂素和生長素之間的負向調節(jié)效應顯著影響植物的分枝過程。同樣，在植物分枝方面，獨腳金內(nèi)酯和細胞分裂素存在一定的拮抗關系。獨腳金內(nèi)酯主要通過與細胞分裂素和生長素的互作作用來調控植物分枝形成和發(fā)育。有研究表明，獨腳金內(nèi)酯的信號轉運網(wǎng)絡影響生長素在植物體內(nèi)的運輸，進而抑制腋芽萌發(fā)，不利于植物側枝形成。比如，DUN等發(fā)現(xiàn)細胞分裂素誘導豌豆側芽發(fā)育，而獨腳金內(nèi)酯卻對側芽生長產(chǎn)生明顯的抑制效果。孫倩也在番茄的試驗中得出了類型的結果。此外，在細胞分裂素對植物分枝的分子調控機制方面也有一些相關報道。IPT 和CKX 分別是植物體內(nèi)細胞分裂素合成和分解的關鍵酶，擬南芥突變體atmyb2 中

AtIPT

基因的表達水平顯著上調，細胞分裂素含量升高，具有多分枝的表型特征，而在其體內(nèi)過量表達

AtCKX1

基因則能夠加速內(nèi)源細胞分裂素的降解，進而降低擬南芥體內(nèi)細胞分裂素的水平，減少分枝的發(fā)生，并且將擬南芥的

AtCKX

基因在煙草中過量表達也導致其根系和側枝的生長受到顯著的抑制。另外，3 年生山椒的轉基因植株中

CaIPT

基因的表達水平明顯增強，出現(xiàn)細胞分裂素合成過量，分枝數(shù)增多，莖葉生長量減少和延緩葉片衰老等現(xiàn)象。

BRC1

轉錄因子也在植物激素調控分枝方面發(fā)揮著重要作用，是分枝調控網(wǎng)絡的關鍵點。一般情況下，植物中

BRC1

或者同源基因的缺失會產(chǎn)生更多的分枝，相反，該基因過量表達則抑制植物側枝形成和發(fā)育。BRAUN等研究發(fā)現(xiàn)，高水平的細胞分裂素會抑制腋芽中

BRC1

的表達，促進植物腋芽的發(fā)育。除了

BRC1

外，

BRC2

、

TB1

和

FC1

等其他TCP家族的轉錄因子也能夠顯著影響植物分枝。這些研究表明，細胞分裂素也能在轉錄水平上調控植物分枝的生長發(fā)育。

5 細胞分裂素參與氮素調控植物側枝形成和發(fā)育的研究進展

細胞分裂素和氮素不僅是參與植物生長發(fā)育的兩種關鍵物質，而且在調控植物分枝方面都發(fā)揮著重要作用，并且部分學者認為，在目前已知的植物激素中，細胞分裂素是影響植物氮代謝活動最顯著的激素。因此，細胞分裂素與氮素之間聯(lián)系緊密，尤其在參與氮素調控植物側枝形成和發(fā)育方面，細胞分裂素具有不可替代的作用。

細胞分裂素是氮素調控植物生長發(fā)育過程中的重要因子。細胞分裂素不僅對植物氮素的吸收、分布、轉運和同化等過程具有重要意義，而且也利于提高植物的氮素利用效率。在影響植物對氮素的吸收方面，細胞分裂素顯著作用于植物根系的生長發(fā)育，進而影響根系吸收土壤中的氮素，WERNER 等對煙草的研究表明，細胞分裂素對煙草的根部細胞分裂能力具有抑制作用，使得根部普遍較小，從而不利于根系的生長發(fā)育，導致煙草吸收的氮素減少，而

AtCKX1

基因過量表達的突變體植株根系顯著大于野生型植株，能夠較好的吸收土壤中的氮素。也有相關研究認為，細胞分裂素作用于根系中氮素轉運蛋白基因的表達來調控氮素的吸收，比如，利用反饋作用的調節(jié)機制，細胞分裂素可以通過充當?shù)仫柡托盘杹硪种?p>AtNRT1.1

、

AtNRT1.5

、

AtNRT2.1

、

At-NRT2.2

和幾種

AtAMT

等主要氮素轉運蛋白基因的表達，減少根系對氮素的吸收，但

AtNRT1.3

基因的表達增強，有利于植物體內(nèi)氮素的分布和轉運。除了影響氮素轉運蛋白基因的表達來抑制氮素的吸收和轉運外，細胞分裂素還能利用其AHK3和AHK4受體氮素轉運蛋白的合成進行調控，導致植物吸收的氮素減少。根系中合成的細胞分裂素也對氮素在植物體內(nèi)的分布存在一定的影響，主要表現(xiàn)在細胞分裂素能夠調控氮素在植物體內(nèi)的轉運。誘導植物體內(nèi)養(yǎng)分的運輸是細胞分裂素作用于植物的重要機制，該機制具體表現(xiàn)為細胞分裂素誘導植物體內(nèi)的營養(yǎng)物質向葉片運輸并積累或者是經(jīng)細胞分裂素處理過的部位，從而影響氮素在植物體內(nèi)的分布。此外，大量研究表明，細胞分裂素和氮素在植物體內(nèi)具有相似的運輸途徑，植物體內(nèi)氮素的分布和轉運會隨著細胞分裂素的運輸而發(fā)生改變，植物體內(nèi)細胞分裂素大部分由根系合成后，通過木質部和韌皮部等途徑運輸?shù)街参锲渌鞴?，在細胞分裂素運輸過程中，根系從土壤中吸收的氮素也被運輸?shù)降厣喜糠?，特別是莖葉等器官，促進葉片和側枝的生長發(fā)育。也有研究者認為，受光照條件和蒸騰作用的影響，細胞分裂素趨向于植物中光照較好的上層葉片運輸，從而調控氮素在地上部分的分布，導致基部葉片的氮素含量明顯少于頂層葉片，影響植物各部分的氮素分配比例。因此，細胞分裂素對于氮素的分布和轉運具有積極的推動作用，有利于提高植物的氮素利用效率。在細胞分裂素調控氮代謝的過程中，細胞分裂素能夠增強

ASH

、

NII

、

NIA

、

GDH

等與氮代謝過程密切相關的基因表達，氮代謝酶的活性得到進一步激活，使得植物能夠高效利用土壤中的氮素，促進葉綠素、核酸、蛋白質等重要物質的合成，植物光合能力顯著提高，加速植物體內(nèi)生物量的生成和積累，不僅有利于植物側枝形成和發(fā)育，也對植物各時期的生長發(fā)育均有重要意義。同樣，氮素也是植物內(nèi)源細胞分裂素的關鍵調控物質，是影響相關細胞分裂素基因表達的信號分子。通常情況下，氮素含量過低會促進一些CKX 相關基因的表達，加速細胞分裂素的降解，使植物體內(nèi)細胞分裂素水平下降，影響植物分枝；高氮環(huán)境則有利于IPT 相關基因的表達增強，增加細胞分裂素含量，從而調節(jié)植物的生命活動。關于平邑甜茶的研究發(fā)現(xiàn)，對幼苗施加氮肥可以增強其體內(nèi)細胞分裂素合成基因

MhIPT3

的表達，促進細胞分裂素含量提高。另外，氮素促進細胞分裂素合成基因

IPT3

的表達也在擬南芥的相關研究中得到證實。氮素作為細胞分裂素的重要組成元素，其在植物體內(nèi)的水平與細胞分裂素水平密切相關。之前的研究表明，植物在氮素充足條件下根系合成的細胞分裂素總量高于氮素缺乏時的合成總量。氮素形態(tài)對植物體內(nèi)細胞分裂素的調控也具有明顯的差異。在實踐生產(chǎn)過程中，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是影響細胞分裂素水平最常見的兩種氮素形態(tài)。一般研究認為，硝態(tài)氮促進細胞分裂素在植物體內(nèi)合成，并且提高細胞分裂素的活性和運輸速率；供應的氮素為銨態(tài)氮時，會抑制細胞分裂素從根系向地上部分運輸和降低細胞分裂素含量，但硝態(tài)氮和銨態(tài)氮對植物混合施用，有利于根系產(chǎn)生更多的細胞分裂素，加快根系中合成的細胞分裂素運輸?shù)街参锔鞑糠?，便于協(xié)調營養(yǎng)物質在植物體內(nèi)的分配。在煙草上的研究表明，施加硝態(tài)氮后，煙草中的tZ和tZR 含量顯著增加，并且加快了tZ-CTK 在植物體內(nèi)的運輸，促進煙草葉片的生長；而銨態(tài)氮處理煙草時則不利于葉片中的tZ和tZR的合成，導致葉片細胞數(shù)目和大小均不如處理前，影響葉片的正常生長發(fā)育。在番茄的試驗中也得出了類似的結果。此外，TAKEI 等也發(fā)現(xiàn)，硝態(tài)氮在調控碳氮代謝的同時，能夠誘導細胞分裂素等激素參與植物體內(nèi)的氮代謝，但玉米中能夠響應細胞分裂素的

ZmRR1

基因表達可能受硝態(tài)氮和銨態(tài)氮兩種氮素形態(tài)的調控。

總之，植物側枝萌發(fā)需要細胞分裂素的激活，氮素提供給側枝進一步生長發(fā)育的營養(yǎng)物質，細胞分裂素和氮素對植物側枝形成和發(fā)育都具有顯著的作用效果，兩條途徑共同參與植物側枝形成和發(fā)育的調控，但兩者之間的互作作用對植物側枝形成和發(fā)育的調控網(wǎng)絡和作用機制尚不明確，需要進一步的研究。

6 問題與展望

對于細胞分裂素和氮素影響植物側枝形成和發(fā)育的研究近年來有較多報道，并且兩種物質單獨作用于植物生長發(fā)育的調控機制已經(jīng)較為清楚。然而，細胞分裂素和氮素的互作作用影響植物生長發(fā)育的研究雖有一定進展，但多集中于擬南芥、番茄等模式植物和水稻、小麥等農(nóng)作物中，在林木上開展的研究較少。另外，細胞分裂素和氮素共同作用于植物生長發(fā)育的調控網(wǎng)絡十分復雜，特別是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，如何在施加細胞分裂素的情況下，提高氮素利用效率，實現(xiàn)氮肥的高效利用，是十分關鍵的栽培手段，對實現(xiàn)作物的高產(chǎn)和優(yōu)產(chǎn)具有重要意義。

因此，在后續(xù)研究的開展過程中，應該加強細胞分裂素和氮素共同參與調控植物生長發(fā)育的相關研究，尤其是在林木方面。在研究內(nèi)容上，除了影響側枝形成和發(fā)育方面外，開展兩者對于植物其他生長指標和生理代謝活動的作用也十分必要。并且在當前研究的基礎上，可以結合分子技術手段等從基因方面探究細胞分裂素和氮素調控植物生長發(fā)育的作用機制，明確調控路徑上關鍵基因和代謝酶的功能，構建兩者的調控網(wǎng)絡。