煙草不定根發(fā)生研究進(jìn)展

周俊成，彭三喜，高煥曄，2*

(1 貴州大學(xué)煙草學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2 貴州省煙草品質(zhì)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550025)

植物根系可分為定根和不定根，不定根系主要由下胚軸、莖、葉、芽等組織發(fā)生形成。其發(fā)生形式多樣，一些植物可通過生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑的誘導(dǎo)、機(jī)械損傷、洪害以及病原微生物等方式誘導(dǎo)不定根形成[1-2]。不定根會(huì)顯著增強(qiáng)植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收及干物質(zhì)的合成與積累[3-5]。Kawase 等[6]發(fā)現(xiàn)，淹水初期煙株形成的不定根可取代因缺氧而死亡的初生根系，從而使煙株保持生理功能和活性。根系是物質(zhì)合成的重要器官[7-8]。黃琰等[9]發(fā)現(xiàn)，淹水條件下產(chǎn)生的不定根會(huì)取代衰退的主、側(cè)根，同時(shí)脫氫酶及谷氨酰胺合成酶等相關(guān)酶的活性不斷提高，從而提高煙株根系對(duì)氨的同化能力和改善煙株的生長(zhǎng)協(xié)調(diào)性。此外，不定根的發(fā)生還可加強(qiáng)對(duì)植物地上部分的支撐和固定作用。

煙草是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物。根系是煙株吸收土壤營(yíng)養(yǎng)的主要器官，其活躍程度和數(shù)量在某種程度上決定著煙株吸收養(yǎng)分的數(shù)量[10]。煙草不定根在煙株根系中的吸收和生長(zhǎng)能力均比較強(qiáng)，深入研究煙草不定根的形成及調(diào)控措施，對(duì)烤煙的生長(zhǎng)發(fā)育和煙葉品質(zhì)形成具有重要意義[11-12]。

1 不定根的發(fā)生組織學(xué)

不定根在形態(tài)結(jié)構(gòu)上與主根和側(cè)根幾乎完全相同，由表皮、皮層、內(nèi)皮層和中柱鞘等幾部分組成；不定根、主根和側(cè)根均有明顯根冠、分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和根毛區(qū)等特征[13-14]。不定根發(fā)生的調(diào)控因子受內(nèi)部遺傳因子和外部環(huán)境信號(hào)的共同作用[15]。其發(fā)生方式主要有兩種:一是直接從外植體上發(fā)生不定根；另一種是先產(chǎn)生愈傷組織，再通過愈傷組織形成擬分生組織形成不定根原基[16]。

劉國(guó)彬等[17]研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)柏扦插后會(huì)出現(xiàn)皮部生根、愈傷組織生根和愈傷組織兼具皮部生根3 種類型；不定根原基的組織學(xué)起源是愈傷組織、髓射線、射線原始細(xì)胞、尚未分化成熟的木質(zhì)部細(xì)胞，通過人工誘導(dǎo)同時(shí)激活這些不定根起源位點(diǎn)能顯著提高生根率和生根質(zhì)量。Edwards 等[18]認(rèn)為，扦插生根的難易取決于韌皮部厚壁組織的分布。但呂梅等[19]研究發(fā)現(xiàn)，厚壁組織狀態(tài)與扦插生根難易程度無(wú)明顯的關(guān)系。這說明不同植物組織內(nèi)部不定根的誘導(dǎo)機(jī)制存在差異，針對(duì)性地對(duì)不同類型植物的不定根誘導(dǎo)機(jī)制開展研究具有重要意義。

2 誘導(dǎo)煙株不定根發(fā)生的因素

2.1 相關(guān)基因的表達(dá)

植物生命周期內(nèi)的生長(zhǎng)發(fā)育均是不同基因在時(shí)間和空間的順序性表達(dá)結(jié)果[20]。當(dāng)植物接收到體內(nèi)或外環(huán)境刺激信號(hào)時(shí)，會(huì)通過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)激活RNA 聚合酶Ⅱ進(jìn)行轉(zhuǎn)錄，最終通過基因表達(dá)產(chǎn)物來(lái)調(diào)節(jié)或適應(yīng)外環(huán)境[21]。不定根的最終形成就是由無(wú)數(shù)基因特異性表達(dá)的結(jié)果[22]。

在煙草不定根誘導(dǎo)形成期基因HRGP-nt3表達(dá)量較高[23]；而周期蛋白基因CycB的過量表達(dá)同樣能促進(jìn)不定根及不定芽的形成，因此推測(cè)煙草不定根及不定芽的形成可能與該基因的表達(dá)有關(guān)。張萍等[24]將棉花纖維cDNA 中的乙烯合成基因GhACO3轉(zhuǎn)到煙草中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)與未轉(zhuǎn)入乙烯合成基因煙草株相比，GhACO3基因?qū)Σ欢ǜl(fā)生具有顯著促進(jìn)作用。敖振超等[25]認(rèn)為，基因Gmr937的表達(dá)能明顯的促進(jìn)煙草側(cè)根的發(fā)育。董紹旺等[26]研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)Prd29A-ipt基因促進(jìn)煙株側(cè)芽生長(zhǎng)的同時(shí)還對(duì)根的延伸產(chǎn)生抑制作用。汪蕙[27]研究發(fā)現(xiàn)，用生長(zhǎng)素處理轉(zhuǎn)Mp ADC基因煙草株系，培養(yǎng)一定時(shí)間后，Mp ADC基因過表達(dá)的煙株產(chǎn)生不定根，培養(yǎng)時(shí)間越長(zhǎng)，不定根越多，這表明過表達(dá)ADC基因有促進(jìn)煙株不定根發(fā)生的作用。另外，呂贇[28]研究發(fā)現(xiàn)，雞干擾素(ChIFN)能促進(jìn)煙草不定根的形成和發(fā)育，并推測(cè)煙草不定根的發(fā)生可能是通過ChIFN-α促進(jìn)百脈根生長(zhǎng)素合成、運(yùn)輸、響應(yīng)等相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和調(diào)控有關(guān)。

以上研究表明，煙草不定根的形成是由眾多基因特異性表達(dá)的結(jié)果。除此，相關(guān)植物激素基因也會(huì)通過調(diào)控該激素水平來(lái)影響植物不定根的形成；如赤霉素(GA)代謝關(guān)鍵酶基因PtGA2ox1、生長(zhǎng)素(IAA)合成限速酶基因NtYUCCA、AUX/IAA 家族基因等[29-31]。

2.2 相關(guān)激素的誘導(dǎo)

2.2.1 生長(zhǎng)素(IAA)

生長(zhǎng)素在不定根的形成過程中起中心作用。據(jù)前人研究，植物生長(zhǎng)素(IAA)對(duì)根系發(fā)育調(diào)控的途徑可分為2 條:一是IAA 信號(hào)反應(yīng)調(diào)控根系發(fā)育，二是通過IAA 的運(yùn)輸、分布來(lái)控制根的發(fā)育。植物組織不定根的形成大多都經(jīng)過一定濃度的IAA 調(diào)節(jié)處理[32]。為探究?jī)?nèi)源IAA 信號(hào)路徑對(duì)煙草不定根形成的調(diào)控作用，黃琰等[33]通過對(duì)水分、光照和施用生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等對(duì)K326 不定根生長(zhǎng)發(fā)育的研究，結(jié)果表明水分、光照以及IAA 對(duì)誘導(dǎo)不定根的形成具有重要的影響，其中水分是保持不定根生長(zhǎng)發(fā)育和較高活性的關(guān)鍵因素，而適量施用生長(zhǎng)素處理對(duì)增加不定根數(shù)量和提高根系活力有重要的促進(jìn)作用。這說明一定濃度的IAA 處理能有效促進(jìn)煙草不定根的形成。

2.2.2 赤霉素(GAs)

赤霉素(GAs)對(duì)煙草不定根的形成和伸長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用。劉暢[34]通過研究GAs 對(duì)煙草發(fā)育的影響發(fā)現(xiàn)，降低煙株莖部木質(zhì)部形成層中活性GAs 的含量對(duì)煙株不定根和葉片的發(fā)育會(huì)產(chǎn)生影響。楊鈞賀等[35]同樣發(fā)現(xiàn)，GAs 含量變化對(duì)煙草不定根的發(fā)育有顯著影響，其中木質(zhì)部形成層中活性GAs 的含量是影響不定根發(fā)育的重要因素。鈕世輝等[36]在對(duì)赤霉素對(duì)不定根發(fā)育的調(diào)控作用中研究發(fā)現(xiàn)，外源施加GA3會(huì)降低煙草莖段不定根的數(shù)量，但對(duì)不定根的伸長(zhǎng)具有顯著促進(jìn)作用。此外，GAs 對(duì)植物的花芽分化、抗冷性、維管形成、干旱脅迫、促進(jìn)葉生長(zhǎng)和開片、促進(jìn)花和果實(shí)的發(fā)育以及促進(jìn)側(cè)芽生長(zhǎng)等方面同樣有著重要的作用[37-42]。

2.2.3 細(xì)胞分裂素(CTK)

細(xì)胞分裂素(CTK)及IAA 對(duì)多種植物不定根和側(cè)根形成有重要調(diào)控作用[43]。有研究表明，CTK和IAA 在萵苣根原基形成前后含量變化明顯；根原基形成前CTK/IAA 比值低，但在根原基出現(xiàn)后，CTK/IAA 的比值明顯增高[44]。在煙草離體組織培養(yǎng)中，CTK 和IAA 的比例是控制外植體的根及愈傷組織形成的重要條件[45]。CTK 對(duì)煙草全株有促進(jìn)側(cè)芽長(zhǎng)出、葉片伸展和抑制葉片衰老的作用，可促進(jìn)生根煙草組織培養(yǎng)[46]。唐玉林等[47]對(duì)煙草葉的外植體在誘導(dǎo)根分化的研究中發(fā)現(xiàn)，一定濃度的CTK是煙草不定根原基形成的必要條件之一，但過高濃度的CTK 則對(duì)不定根發(fā)生有強(qiáng)烈的抑制作用。這表明，CTK 在不同濃度及激素協(xié)同下產(chǎn)生的效應(yīng)不同，但可以明確的是，CTK 對(duì)煙草不定根的形成具有重要影響。

2.2.4 脫落酸(ABA)

脫落酸(ABA)對(duì)植物不定根形成的影響表現(xiàn)為與其他激素的協(xié)同或拮抗作用，ABA 與GA 通過抑制細(xì)胞的分裂和促進(jìn)細(xì)胞伸長(zhǎng)來(lái)調(diào)控不定根生長(zhǎng)[48-49]。高水平的ABA 與IAA 均能促進(jìn)不定根原基的形成，但ABA 的誘導(dǎo)效應(yīng)弱于IAA[50]。另外，不同濃度的ABA 對(duì)楊樹切段生根產(chǎn)生的影響也不同，低濃度的ABA 能促進(jìn)切段生根，高濃度則表現(xiàn)出抑制[51]。這表明，ABA 對(duì)植物不定根的形成具有重要影響，且不同植物對(duì)ABA 的濃度及與不同激素的拮抗或協(xié)同反應(yīng)有所差異，但該激素在煙草不定根形成中所產(chǎn)生的調(diào)控效應(yīng)尚未見報(bào)道。

2.2.5 乙烯(ETH)

乙烯(ETH) 對(duì)不定根的形成具有促進(jìn)作用[52-53]，其在水稻、玉米、牽牛等植物上具有相同效果[54]，主要是在誘導(dǎo)期和起始晚期起作用[55]。在擬南芥中不定根的形成隨ETH 含量增加表現(xiàn)出抑制，而當(dāng)ETH 對(duì)同一插穗處理時(shí)，則表現(xiàn)出促進(jìn)、抑制和不影響的作用[56]。但煙草不定根形成對(duì)不同條件下ETH 的濃度反應(yīng)、ETH 與其它激素對(duì)煙草不定根形成的共同作用及外源ETH 對(duì)煙草不定根形成的影響機(jī)理等尚未明晰。

2.3 外源因子的誘導(dǎo)

2.3.1 光照

光照是影響和調(diào)控植物生根的因素之一，不同植物對(duì)促進(jìn)生根的最適光照時(shí)長(zhǎng)、光質(zhì)、波長(zhǎng)、強(qiáng)度等也有差異[57]。蔣小滿等[58]研究發(fā)現(xiàn)，與暗處理相比，光照能大大提高蠶豆幼苗不定根的發(fā)生率；同時(shí)，不同光照條件下多酚氧化酶活性也有差異，高活性多酚氧化酶是有利于不定根生成的重要因素。也有研究表明，黑暗條件下不定根原基無(wú)法突破表皮，而一定強(qiáng)度的光照可以促進(jìn)不定根的發(fā)生；同時(shí)，不同光質(zhì)對(duì)不定根的影響也有差異[59]。

光照和水分均是烤煙不定根形成的重要條件，當(dāng)煙株莖部處于黑暗環(huán)境時(shí)可誘導(dǎo)不定根的發(fā)生，而水分則與不定根的生長(zhǎng)發(fā)育和活性保持有關(guān)[60]。不同光質(zhì)比例對(duì)煙草組培苗的根系數(shù)量、根系長(zhǎng)度等都有不同的影響[61]。王芳芳[62]認(rèn)為，光質(zhì)對(duì)不定根形成的調(diào)控可能是通過影響不同生長(zhǎng)素的運(yùn)輸與分布來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.3.2 無(wú)機(jī)鹽及金屬離子

無(wú)機(jī)鹽和金屬離子均對(duì)不定根的產(chǎn)生和生長(zhǎng)有較大影響[63-64]，其主要是通過濃度對(duì)植物不定根產(chǎn)生作用[65]。賈志紅等[66]研究發(fā)現(xiàn)，低磷(P)處理對(duì)煙草不定根形成的數(shù)量和根重都顯著高于高P 處理。也有研究表明，缺硼(B)會(huì)導(dǎo)致生長(zhǎng)素積累而抑制根系生長(zhǎng)[67]，這與俞丁力[68]、徐淑芬等[69]、Ruiz 等[70]結(jié)果一致。張春[71]研究發(fā)現(xiàn)，培土層的營(yíng)養(yǎng)條件密切影響著烤煙不定根的形成，不同氮肥形態(tài)對(duì)煙株不定根形成的影響有明顯差異，其中NH4+-N 最有利于烤煙不定根的形成，且活性最高。

2.3.3 栽培、培土與施肥技術(shù)

良好的栽培技術(shù)對(duì)煙草不定根系的形成、根系活力的提升等均有顯著的影響[72-73]。培土措施是影響不定根形成的重要因素之一，高培土、深栽煙，分層、分次施肥等均具有增加較強(qiáng)吸收活性的不定根數(shù)量，從而提升煙株對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收效率[74-77]。蔣志宏等[78]研究發(fā)現(xiàn)，培土處理有利于促進(jìn)K326 不定根的產(chǎn)生，同時(shí)還能在一定程度上增加煙葉的光合速率和改善煙葉的光合性能。培土措施對(duì)煙株影響的主要是培土?xí)r間、深度和次數(shù)等方面，一定苗齡下培土?xí)r間越早則越有利于不定根的誘導(dǎo)[79]。煙株不定根的形成隨莖部位的升高而減弱[63]。另外，張琳等[80]研究發(fā)現(xiàn)，栽培過程中對(duì)煙株進(jìn)行損傷處理對(duì)煙苗不定根的生長(zhǎng)和根系活力有明顯促進(jìn)作用。

3 問題與展望

總之，煙草不定根的發(fā)生是受基因、激素、環(huán)境等多因素影響，無(wú)論是不定根發(fā)生基因的表達(dá)、相關(guān)植物激素誘導(dǎo)，還是外源因子的誘導(dǎo)，均可在一定程度上對(duì)煙草不定根的發(fā)生產(chǎn)生影響和調(diào)控。目前對(duì)不定根誘導(dǎo)的研究已經(jīng)從外部誘導(dǎo)因子深入到了內(nèi)部生理生化、基因及組織蛋白水平。盡管如此，誘導(dǎo)不定根發(fā)生的分子機(jī)制尚不明晰，但隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)、蛋白組學(xué)、基因組學(xué)、遺傳學(xué)及代謝組學(xué)等理論、技術(shù)的不斷發(fā)展，這些問題將會(huì)一一得到解決，從而促進(jìn)煙草不定根誘導(dǎo)理論體系的完善和發(fā)展，為煙草及其它作物的不定根根系誘導(dǎo)提供新的方法和思路。