磷脅迫與激素對煙草根系發育的影響及其可能機理

煙臺是一種耐旱的植物。世界上每年種植150萬多株香煙，總面積超過400萬噸。然而目前,全球煙葉質量參差不齊,我國的煙葉質量也存在煙葉鉀含量偏低,煙堿含量偏高等突出問題。隨著人們對自身健康的日益關注,提高煙葉品質、降低煙葉中的有害成分已成為國內外煙草行業的必然趨勢。煙草根系的發育狀況與煙葉產量和品質關系密切,苗期根系良好的形態建成是煙草后期健壯生長和抗逆高產的基礎。因此,研究煙草根系發育機理,提高煙葉質量和產量顯得很有必要。當前,以農藝措施來提高煙葉產量和品質已經到達了瓶頸,并且國內對煙草根系的研究都僅僅停留在形態和栽培措施上,對煙草根際調控機制及激素對煙草根系發育的影響等基礎理論研究較少。基于這種情況下,筆者對磷脅迫和激素對植物根系發育的影響及其可能機理進行了綜述,以便為煙草根系發育的基礎理論研究提供進一步的參考。1牧草根系的相關特征及側根發育機制1.1高莖深栽和培土煙草的根由主根、側根和不定根3部分組成,側根和不定根發達,是煙草根系的主要部分。主根和一級側根上可產生二級側根和三級側根,不定根則產生于煙苗莖基部,可通過高莖深栽和培土措施而大量產生。有報告指出,通過高莖深栽和培土措施可產生兩層煙草根系,即不定根層和側根層。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。研究表明根系生長有兩個高峰,即旺長期和圓頂期。旺長期通常在煙苗移栽后一個月左右,根系干重增加很快。圓頂期由于打頂的原因刺激煙草第2次產生新根,根量增加。煙苗前期根主要處于形態建成階段,后期根系會大量積累干物質。1.2生長素應激基因檢測側根是植物根系統形態特征的一個重要參數,在養分吸收、錨定植株以及根際共生系統的建立等方面起著關鍵作用。側根的發育可以大致分為三個階段:側根原基細胞的特化;側根原基的形成及生長點的活化;側根的生長。近年來,在對側根發生發育的分子機理研究中,一些與側根發生發育有關的基因被相繼克隆出來,包括細胞周期調節基因、結構蛋白基因、生長素應答基因、NACs家族基因等。細胞壁伸展蛋白基因HRGP屬于結構蛋白基因,研究表明煙草的HRGPnt3基因所編碼的伸展蛋白是位于細胞壁上富含輕脯氨酸的糖蛋白,HRGPnt3在內表皮細胞和形成側根的中柱鞘細胞中,特別是在有關側根發生的一些不連續的、小亞群細胞中表達;而在側根形成的后期,主要在已成熟側根的根尖細胞中表達,這表明HRGPnt3基因所編碼的細胞壁糖蛋白有特殊的結構功能,可能起著穩固細胞壁的作用,即在細胞突破主根上的表皮周圍組織而形成側根時,使細胞能夠承受由此而產生的機械壓力。生長素應答基因包括RSI-1、AIR(AIR1、AIR3、AIR9、AIR12)、NAC1等,番茄的RSI-l基因受生長素誘導,主要在側根發育早期的側根原基中高水平表達,而在其它根組織和地上部表達水平低。從擬南芥根系中分離的四個AIR克隆(AIR1、AIR3、AIR9、AIR12)基因也是受生長素誘導,在側根的形成過程中表達。從推測AIR基因的功能可知,在生長素誘導側根形成的過程中,許多編碼胞外蛋白的基因被激活表達,它們在細胞壁結構的調整中起著重要作用。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家族的一個新成員,受生長素誘導表達。NAC1在調節生長素信號,促進側根的發育中起著重要作用。序列分析表明,NAC1是一個轉錄激活因子,能激活2個生長素應答基因AIR3和DBP的表達。NAC1的超表達還能恢復抗生長素刺激突變體tirl的側根形成,表明NAC1基因作用于TIR基因的下游。2低磷誘導側根生長當植物感受到低磷脅迫時,必然會產生某些信號,進而導致一系列可觀察到的反應,如形成一些耐低磷脅迫的適應性形態、構型及生理生化機制等自我拯救機制,包括根系形態構型特征的改變、根系特異性分泌物的形成和分泌以及誘導某些酶及蛋白活性的變化等,以提高植物在缺磷環境中對磷素的吸收和利用。比如在低磷脅迫下,煙株為適應脅迫環境,IAA/ZR(生長素/細胞分裂素)比值增大,促進了根系發育,使根冠比增大,提高了對磷的吸收效率。當植物感受到低磷脅迫時會促進植物根的生長發育,但這種促進作用因植物種類和供磷水平濃度而異,甚至有可能表現為抑制作用。也有研究指出,在缺磷條件下,磷高效基因型具有淺根根構型,而磷低效基因型具有深根根構型。苗鴻鷹等將TaWRKY72b-1基因轉入煙草內,在低磷脅迫條件下,高表達TaWRKY72b-1的煙草植株干重、單株磷累積量和磷利用效率均較對照明顯增加,表明TaWRKY72b-1基因在改善低磷脅迫下作物的磷效率,具有較重要的應用價值。在其他植物中,低磷顯著促進水稻、大豆側根原基的發生,表現為低磷水平比高磷水平下側根原基的數量、側根數量和密度明顯增加。在擬南芥中,低磷加快側根原基的形成,促進側根原基突破主根表皮,具體表現為低磷下發育較成熟的側根原基占總數的比例明顯大于高磷下的比例。在白羽扇豆中,低磷也可以誘導側根數量的增加,產生排根。還有報道認為,低磷抑制側根的伸長生長,表現為抑制分生區細胞的有絲分裂,促進其提早分化,最終導致側根的有限生長。用報告基因CycB1︰1︰uidA的表達強度來標記側根根尖中分生區的有絲分裂活動強度活性研究結果表明,低磷抑制側根根尖中分生區的有絲分裂活動,并且這種抑制效應與側根的發育程度有關,即剛突破主根表皮的側根(0～5mm)根尖中分生區分裂活性與高磷下相似,但隨著發育程度的增加(側根長為15～20mm),低磷逐漸減弱分生區的分裂活性,直至完全檢測不到CycB1︰1︰uidA的表達。另有報告認為,在低磷環境下,可誘使植物主根明顯伸長,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行磷饑餓拯救的重要機制,而這些機制的生理生化本質是磷饑餓誘導的一系列基因的協同表達。其中一些基因的編碼產物,例如酸性磷酸酶、RNA酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶、磷高親和轉運蛋白、與磷代謝有關的蛋白激酶、肌醇-6-磷酸酶等在植物吸收磷素營養中起著著重要的調節作用。另外,還有一些受低磷誘導表達的基因也已初步為人所知,如:Ca2+-ATP酶、磷酸烯醇式丙酮酸酶、營養儲藏蛋白、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,關于低磷誘導側根有限生長的遺傳機制尚不清楚,但與磷代謝相關的突變體的發現為這些機制的闡明提供了線索。Sanchez-Calderon等發現了11個對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出有限生長,并且這些突變體是對磷饑餓專一的突變。與野生型相比,lpi突變可以削弱主根發育、側根分枝以及根冠比等性狀對低磷的反應,同時該突變可以削弱一些低磷誘導的基因的表達,例如AtPAP1、AtPT1、AtACP5和AtPT2。這些都說明lpi突變可以恢復低磷下根尖生長點的活性,所以,LPI可能是根尖生長點活性相關基因的負調控因子。3生長素促進側根發育的機制提高煙葉品質、降低煙葉中的有害成分已成為國內外煙草行業的必然趨勢。但是傳統農藝方法已經不能滿足當前的需求,人們轉而利用植物生長調節劑(植物激素及其衍生物)對煙草的調節作用來改善煙株生長發育中的代謝活動,從而改善煙葉品質。大部分研究表明,五大類經典植物激素都能夠不同程度地影響植物根系的發育,試驗表明:外源生長素能夠促進側根的發生;外源細胞分裂素及脫落酸抑制側根的發生;赤霉素沒有影響或影響甚微;乙烯則通過調控生長素的代謝而起一定的作用,因此,側根發生的激素調控實際上就是指生長素類對側根發生的調控。Laskowski等發現,早期離體的側根原基只有在外施生長素的情況下才能繼續生長;Celenza等發現擬南芥alf3突變體可抑制側根原基的發展,而這種抑制可以被外施的生長素所恢復,即可充分說明生長素在側根原基發育方面的必要性。同時,外源添加生長素可增加側根數目;內源生長素水平升高的擬南芥突變體alf4-1、surl均表現出側根數量的顯著增加,均說明生長素對側根的形成具有促進作用。利用細胞分裂素響應基因啟動子融合GUS的轉基因材料研究發現:在側根發育早期階段,正在分裂的起始細胞內檢測不到ARR5基因的表達;而后期,在側根原基的基部會有較強的表達。這說明增強細胞分裂素氧化酶基因的表達,能促進植株側根的發生。另外,在側根發育過程中,脫落酸可抑制側根頂端分生組織的激活,引起可見側根數目的大大減少。脫落酸是煙草側根發生的負調控因子,但不同的脫落酸濃度對秧苗根系發育的影響程度還尚未見報道。另外,一些類激素物質或次生代謝產物,如獨角金內酯、油菜素內酯、多肽等也被認為在調節植物生長發育方面以類似激素的方式起作用。Klee認為,獨角金內酯可促進植物形成共生關系,從而可以促進植物根的生長。Bao等提出,油菜素內酯和生長素在側根形成中的作用是增效的。但在不同植物中,激素對植物根系發育的調控作用也有差異。此外,關于側根的發生及其激素調控機制,還有很多問題仍不清楚,有的試驗結果甚至是相互矛盾的。當前,國內在植物激素對煙草的研究主要集中在應用方面,而且這些研究主要在煙草生長中后期,對生長初期的煙苗研究較少。此外,國內在激素對煙草調控的生理基礎以及分子機制方面研究得也不多。在國外,激素對植物根構型調控的生理生化及遺傳基礎,特別是分子生物學基礎研究得較多。例如,激素處理對相關基因轉錄的信使RNA豐度以及翻譯的相關蛋白含量的影響,激素對植物根內相關酶活性及相關代謝過程的影響。對側根發生發育分子機理的研究中,一些與側根發生發育有關的基因被相繼克隆,如細胞周期調節基因、結構蛋白基因、生長素應答基因、NACs家族基因等。植物體內源激素很有可能會影響這些基因的表達,從而對植物根系發育產生影響。4價格補充4.1煙苗根系發育關基因的表達煙苗前期,根系處于發育的關鍵時期,此時期與根系發育有關的基因會大量表達,是對煙苗根系發育研究的最佳時期。在此基礎上,還應加強與分子生物學、基因學、生物化學等其他學科的結合,以便更深入地研究煙草根系的發育機理和調控機制。4.2生長素參與磷調控的生理基礎及分子機制不同元素對煙草根系的形態建成和代謝作用不同,在營養缺乏的情況下,更能發現其特有作用以及煙草應對營養脅迫的相關機理。磷脅迫對側根發育表型的調控已有一些報道,但人們對其調控的生理基礎以及分子機制還沒有明確的認識。例如,植物如何感受外界磷信號,以及信號轉導的機制。生長素是否參與磷對側根發育的調控尚無定論,即便在支持生長素參與磷調控的報道中,生長素如何參與調控也沒有明確答案。另外