植物根膨大的研究进展

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　　摘要：根类植物根的发育及膨大直接影响着蔬菜、粮食、药用植物等的产量，因此了解根膨大的机理对提高各类以采收根为主的作物产量及作用有重要意义。从影响根膨大的环境因素、根膨大过程同化产物的变化、内源激素的变化、相关基因的影响等方面综述了有关植物根膨大过程的研究，为植物根膨大机理研究特别是根类药用植物药用部位膨大的相关研究提供参考。
　　关键词：植物根;膨大;内源激素;基因
　　Abstract： The development and expansion of roots directly affect the yield of vegetables， grain and medicinal plants. Therefore， it is of great significance to understand the mechanism of root expansion for improving the yield and function of various crops mainly for harvesting roots.The environmental factors， the changes of assimilation products， the changes of endogenous hormones， and the effects of related genes in the process of root enlargement were discussed， which could provide reference for the study of the mechanism of root enlargement， especially for the study of the expansion of medicinal parts of root medicinal plants.
　　Key words：  the root of plant; expansion; endogenous hormones; genes
　　根不仅是作物吸收水分和养分的重要器官，也是氨基酸、内源激素等微量活性物质合成与转化的重要器官。根在作物的生长发育过程中起着极为重要的作用，任何作物的稳产高产必须有一个发育良好的根系为基础。不同品种的根系在不同的环境条件下表现出不同的特点，即表现出各自的根系发育特性。根系研究已经成为进一步提高作物生产力的一个极具潜力的基础性科研课题[1-3]。根的发育及膨大是一个复杂的过程，受到很多因素的影响和调控，本文综述了影响植物根膨大的环境因素、根膨大过程同化产物及内源激素的变化、分子研究等方面，为根膨大机理的阐释及将来根膨大技术的应用提供参考依据。
　　1 影响植物根膨大的环境因素
　　植物根系的特征不仅受基因型控制，而且也受物理、化学和生物等外界因素影响。如温度、光照、水分、气体、肥料、矿物质、重金属等对植物根的膨大均起着重要作用。合适的温度有利于植物根的内部形成层活动，同时有利于块根形成。若环境温度过高，则植物根发育及形成缓慢;环境温度过低，则植物根会生长停滞。昼夜温差大对植物根生长起促进作用[4]。光照时数的增加有利于地上部分光合作用的进行，从而运输更多的光合产物供地下部分根的膨大发育。因此植物的生长发育需要合适的光照强度。光照强度过高会抑制植株的生长，如夏天过高的光强会刺激叶片气孔的关闭从而影响光呼吸作用的顺利进行，导致同化物的合成受阻，不利于根的发育与形成。此外，根形成同样需要适宜的土壤含水量。土壤含水量适宜，则根形指数和根冠比较大;土壤水分过少，根膨大受阻，且畸形根的发生率大为增加;而含水量过多，根际周围氧气减少，也会抑制根系的正常发育[5]。土壤矿物质也显著影响着根的发育。研究发现，堆肥可使不同处理间人参皂苷存在差异，其中根铁含量与总人参皂苷含量呈强相关，总人参皂苷含量与根产量呈负相关[6]。以上均表明外部环境对根的生长及发育有显著的影响。
　　2 植物根膨大过程中同化产物变化
　　植物根膨大的过程伴随着各种同化产物的变化，如糖类、淀粉、纤维素等含量的多少标志着各类作物产量的高低[7]。据报道，甘薯的薯块膨大期的抗氧化酶系统、可溶性糖含量、光合系统之间存在显著差异[8]。百合鳞茎和新鳞茎中淀粉含量始终高于茎叶和根，苗后期根系中还原糖含量几乎始终呈上升趋势[9]。而随着空心莲子草不定根的根直径不断增加，可溶性蛋白质含量上升，可溶性总糖和蔗糖含量也急剧上升并保持在较高含量水平，淀粉含量低且变化不大。不同膨大时期，蔗糖占可溶性总糖的比例均较高，因此，可溶性蛋白质含量、可溶性总糖含量、蔗糖含量与空心莲子草宿根的主要生长指标均呈极显著正相关关系[10]。但在萝卜根中，同化产物与邻近细胞的数量与细胞大小的关系较小[11]。
　　3 植物根膨大过程中内源激素的变化
　　植物的生长发育、器官的形态建成、性状的表现都受到内源激素的调控。植物内源激素在植物体内含量虽少，但对植物生长发育却起着重要作用，它们的生理机制比较复杂[12-15]。
　　目前，常见的植物内源激素主要包括生长素（IAA）、赤霉素（GA）、细胞分裂素（CTK、ZT、ZR、DHZR）、脱落酸（ABA）、乙烯（ETH）、茉莉酸甲酯（JA）、水杨酸（SA）等几大类。然而，不同植物中内源激素的关键作用不尽相同。有关内源激素对植物根膨大的影响在甘薯[16]、人参榕[17]、地黄[18]、牛大力[19]、麦冬[20]、胡萝卜[21，22]、莲藕[23]等植物上已有研究报道。
　　各种内源激素含量与根的膨大情况有一定的关联性，它们共同调节根的发育及膨大过程，虽然有的内源激素会呈现出先增后减再增的趋势，但总的来说，内源激素的含量与根膨大发育呈正相关的关系。如不同基因型甘薯块根中的内源激素含量变化对块根形成和膨大有显著影响。块根形成前后及块根膨大中期和高峰期，其干重与块根ABA、ZR和DHZR含量之间呈显著或极显著正相关，ZR、DHZR和ABA 含量的高低及比例在不定根能否转化形成块根及其块根的膨大速率方面也起着关键性作用。在块根发育的不同阶段，大、中、小块根的内源激素含量差异显著。块根中的次生形成层的活动是决定块根迅速膨大的关键，其活动旺盛与否可能与 IAA、ZR、DHZR 等含量有着密切关系[16]。在人参榕块根膨大部位和根梢部位中反式玉米素核苷t-ZR的含量显著高于其他部位，特别是在块根膨大后期含量最高，玉米素t-Z和反式玉米素核苷t-ZR的含量都随着块根的膨大呈上升趋势，其中t-Z含量在块根形成初期增长迅速，后期逐渐缓慢，t-ZR含量在块根膨大初期缓慢增长，后期增长迅速[17]。在试管地黄形成过程中IAA、GA3、ABA和JA的含量存在动态变化，但基本呈上升趋势。地黄不定根在转苗初期，膨大现象较为明显，而到后期，其直径膨大则远远小于根尖后端的伸长，这有可能是多种激素共同作用的结果[18]。牛大力体内的内源激素含量与其根膨大程度呈正相关关系。牛大力中具有膨大根且侧根数量多的植株，其根和叶片的内源激素GA、ZR、IAA的含量较高，且有顯著差异[19]。在麦冬块根发育的过程中，各激素的含量和变化趋势不同。GA和ZR含量和变化趋势相同，随着块根的膨大逐渐升高，但IAA的含量呈现出先升高后降低的趋势，而ABA逐渐降低[20]。在胡萝卜中，内源激素对肉质根的“库建结构”起重要调控作用，并且通过调控肉质根的库活性来促进高原夏季胡萝卜肉质根的膨大。高原夏季胡萝卜肉质根干重与 GA3含量极显著或显著正相关，与 IAA、IPA 含量极显著或显著负相关;IAA 和 GA4含量与肉质根干鲜重比值极显著正相关，而 IAA、GA4、ABA、GA3、IPA、DHZR 含量与肉质根的库活性极显著正相关[22]。在3个莲藕主栽品种的根状茎膨大过程中，各种不同的内源激素在莲藕根膨大的不同阶段发挥作用。玉米素（ZT）在1节期和3节期的第1节段含量最高;GA3含量在1节期即快速上升，IAA和SA则在2节期后才快速升高，GA3、 IAA和SA在3节期均达最大值;在膨大过程中IAA和SA含量均呈极显著正相关;ABA含量在3节期的第1节段最高，第2节段最低;成熟期大幅升高[23]。以上报道均表明各种内源激素的含量及相对比例对根的膨大有显著影响。 　　4 植物根膨大过程中的分子研究
　　随着基因组时代的到来，转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学技术在揭示植物生长与发育规律中发挥着越来越重要的作用。现有研究发现酶的变化及基因的表达显著影响了植物膨大根的膨大[24]，其中木质素和淀粉合成及代谢相关的基因变化对植物根膨大影响明显[25-27]，并在调节根及根茎发育中有重要作用[28]。
　　4.1 与植物内源激素相关的基因
　　人类在研究与植物根膨大相关的基因表达方面取得较大成果。在人参榕块根中，以Actin1基因作为其他目的基因的内参基因，发现细胞分裂素合成酶IPT基因随着块根的膨大，IPT的转录水平呈整体上升趋势，而细胞分裂素水解酶CKX基因的转录水平呈先下降后上升的趋势，在块根膨大初期下降，在块根膨大后期逐渐上升，从而对细胞分裂素的积累有一定的影响，间接影响着根的膨大[17]。
　　脂氧合酶GhLOX1可能对唐菖蒲球茎的形成及膨大具有促进作用。唐菖蒲球茎中GhLOX1的表达水平及活性、内源茉莉酸甲酯MJ 含量以及球茎的鲜样质量与体积均随着 MJ 浓度的增加而逐渐提高。促进剂MJ和抑制剂SHAM都显著影响了唐菖蒲脂氧合酶基因GhLOX1的表达，MJ和SHAM 有可能是通过影响GhLOX1的表达干预了LOX 的活性，从而影响了JAs 或JA 类似化合物的生物合成，并且最终影响了唐菖蒲球茎的膨大。因此，在球茎的形成过程中，LOX 可能启动调节细胞生长的氧化油脂的合成，控制块茎的生长和发育[29]。
　　余如刚[21]在研究胡萝卜的过程中鉴定得到614条差异表达转录本，分别参与了色氨酸代谢、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、玉米素合成、类胡萝卜素合成、油菜素类固醇合成等8条植物激素信号转导途径。这些差异转录本被分別匹配到AUX/IAA、TIRI、ARFs、CH3和SAUR等植物信号转导途径相关的基因家族，参与色氨酸代谢、玉米素合成和油菜素内酯合成等植物激素信号相关基因，这些植物激素信号相关基因均可通过影响细胞分裂和膨大而对萝卜肉质直根膨大发挥积极作用。
　　4.2 与木质素形成相关的基因
　　木质素合成与储藏根发育可能存在一定的内在关系。据报道，在紫薯中表达玉米转录因子Lc会影响储藏根的发育，形成类似牛蒡根的储藏根，薯型细长，但产量及淀粉含量下降。进一步基因表达分析表明转基因植株储藏根中PAL表达显著上调，木质素合成基因4CL、C4H、CAD的表达显著提升;木质素染色及含量测定确证了储藏根木质素的沉积。转基因植株全株β-amylase的酶活明显提高，淀粉降解加速[25-27]。
　　在甘薯的贮藏根中，参与分生组织或形成层发育和淀粉生物合成的基因表达水平显著上调。多种植物激素及其生物合成相关基因在须根和贮藏根之间表现出差异表达。在贮藏根的起始和发育过程中，大量转录因子的表达存在差异，且在转录组和蛋白质组数据之间发现不一致的基因表达，这表明在贮藏根的发育过程中转录后的调节活性[30]发生变化。如萝卜中蔗糖磷酸合成酶基因RsSPSl在肉质根发育的不同时期、不同部位中都有表达，但表达量有明显差异，其中，在膨大后期木质部中表达量明显高于其他时期和部位，可能与根部木质化程度及根膨大相关[31]。
　　4.3 与蔗糖及淀粉代谢相关的基因
　　余如刚[21]在萝卜肉质直根转录组中筛选出参与蔗糖代谢的103个Unigenes;其中蔗糖合成酶、转化酶、蔗糖磷酸合成酶、果糖激酶和己糖激酶是匹配到Unigene数量最高的酶。与此同时，通过构建萝卜肉质直根3个不同时期sRNA文库，分离鉴定到85个已知和13个新型肉质直根膨大相关miRNA及191个靶基因，且部分差异表达miRNA的靶向基因如NF-YA2、bHLH74和EXPA9等在胡萝卜肉质直根膨大过程中发挥重要作用。
　　而在不同阶段甘蓝块根的mRNA和miRNA表达谱中，大量的DEGs和DEMs参与了块根的膨大发育。由DEG分析可知DEGs和DEMs代谢可能是根膨大过程的主要途径，植物激素信号转导通路在根膨大的调控中起着更重要的作用，尤其淀粉和蔗糖代谢对次生膨大过程有着重要重要。基于DEM分析，miR156a、miR157a和miR172a在根发育中发挥重要作用。这些发现为更深入地了解甘蓝块根发育的分子机制奠定了基础[32]。
　　程立宝等[33，34]归纳并分析出86 个可能与莲藕根状茎膨大相关基因，分别为 35 个激素诱导蛋白基因、4 个光诱导蛋白（MADS-BOX）基因、11个根状茎贮藏蛋白基因（Patatin）、35 个与淀粉代谢相关基因以及 1 个与根状茎形成相关基因。并发现莲藕膨大过程中LrGBSS、LrSBEI、LrSBEII和 LrSBEIII 4个与莲藕根状茎淀粉合成相关基因的表达大幅度增加，且与莲藕根状茎膨大过程中淀粉含量的增加、淀粉颗粒的增多、变大同步，表明这4个基因与莲藕根状茎淀粉的形成和积累紧密相关，对莲藕根状茎的膨大起到关键性作用。
　　4.4 其他分子
　　焦连魁[20]从麦冬中筛选得到了980个目标差异基因及多个可能与块根发育相关的基因，其中包括肌动蛋白、果胶甲酯酶、微管蛋白等编码基因。而在萝卜肉质根发育不同时期，有25个蛋白点表现出明显差异，如NADH脱氢酶亚基、TIFY、翻译调控蛋白、钙依赖蛋白激酶29、18S核糖体RNA、水通道蛋白等，分别参与了转录调控、信号转导、普通新陈代谢、转运通道、防卫与胁迫反应、蛋白质代谢等过程[31]。
　　在不同膨大阶段萝卜主根识别出的98种不同表达的miRNAs，可能在其主根膨大过程中发挥重要的调控作用，并促进萝卜主根的基因改良。它们的目标编码转录因子和其他功能蛋白都参与了萝卜主根膨大[35]。在胡萝卜根中也鉴定出30个与根膨大相关的蛋白和基因，并发现在根旺盛生长期，这些膨大基因的表达显著上调[36]。 　　5 問题与展望
　　以根类为主要作用部位的作物在中国农作物和药材中占了很大一部分，其中粮食蔬菜包括甘薯、木薯、山药、马铃薯、萝卜、莲藕等，药用植物包括太子参、人参、西洋参、麦冬、天麻、党参、地黄等。因此，以根类为主要作用部位的植物对中国粮食、用药安全以及社会经济发展有着重要作用，研究各种根类植物块根的发育与膨大关系有着深远的意义。目前研究主要集中在内源激素含量对植物根发育、膨大影响方面，植物内源激素对植物生长发育起着重要作用，很多学者通过人为施加植物生长调节剂，干预植物块根发育取得了一定的成果[37-42]。
　　与粮食蔬菜等块茎类作物相比，对药用植物块茎的发育及膨大的研究从深度与广度上都十分欠缺，仅有部分药用植物有相关的研究报道，且仅限于各种内源激素以及生长调节剂对药用植物块根膨大发育的影响[43-47]。应用各种内源激素及生长调节剂虽能达到提高药用部位产量的目的，但伴随着产量提高也带来一些问题，如植物生长调节剂的使用可能会对环境和药用植物的次生代谢产物有影响。近年来，随着基因组时代的到来，转录组学、蛋白质组学和代谢组学等各种组学技术在揭示植物生长与发育规律中发挥着越来越重要的作用。从植物本身出发，运用各种组学技术，找到控制药用植物内源激素含量的基因，通过控制基因而控制各种酶来调控药用植物的内源激素含量，达到提高药用部位产量的目的，为促进中药健康产业的发展奠定基础。中国粮食、用药安全和社会经济发展也得到了保障。但这些都需进一步开展研究。
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