不定根发生的形态学和生理学研究进展

高玉青 王文成

（海阳市果业发展服务中心，山东海阳 265100）

推广优良的无性系砧木是提高果树良种化的重要途径，不定根的发生作为植物无性繁殖的重要方式，具有繁殖系数高、周期较短、保持母株优良性状等诸多优点，是集约化生产和实现高产、优质的重要手段[1]。多数果树不定根发生较为困难，因此深入探究果树不定根发生机制，采取措施克服不定根发生困难的问题，对于促进优良品种的快速繁殖，实现果树产业提质增效，具有重要的实践意义。

不定根的形成是一种胁迫适应机制，园艺植物的扦插、压条等技术的应用都依赖于不定根的正常形成。基因型、植物的生理状态、激素水平、蛋白含量及外界环境刺激等因素都会影响不定根的形成和发育。近年来，对植物不定根发生发育调控机制的相关研究逐渐增多并成为研究热点。本文结合当前国内外研究，对不定根发生过程形态学、生理生化等方面进行综述，以期为果树无性繁殖提供一定的理论参考。

1 不定根发生的形态学研究进展

形态学观测是不定根发生研究的基础，主要以不定根发生、生长特征的解剖学观察为主，目前主要从愈伤组织的发生发育、不定根原始体的产生和不定根生长发育等方面展开研究[2]。

不定根因发生时间和发生方式不同具有多样性，按形成时间分为两种发育类型，一是由潜伏根原基发育成的不定根，即潜伏生根型；二是由离体后需要外界条件诱导的根原基，即诱导生根型[3]。潜伏生根型的不定根由潜伏根原始体发育而来，在外植体茎中产生，一直处于休眠状态，直到外界条件适宜后根原基才开始发育，如毛白杨、垂柳等。潜伏根原始体发生的位置在不同物种之间存在着显著的差异，且发生位置不确定。诱导生根型不定根由诱导根原始体发育而来，诱导根原始体需要外界环境的诱导才能产生，此类植物包括榛子、椴树、板栗、海棠等。根据不定根在外植体上的发生方式不同分为两类，从皮部形成的不定根称为皮部根，从愈伤组织处形成的不定根称为愈伤根[4]。在生产实践中，经常根据皮部根和愈伤根所占的比例，将不定根划分为三种类型，一是愈伤部位生根型，即大部分根为愈伤根，基本上不存在皮部根，愈伤部位生根型先在外植体伤口附近形成一层薄壁细胞，薄壁细胞经过分裂分化一系列的细胞活动形成愈伤组织[5]，如榛子、杉木、垂柳、板栗、梅等，此类植物较难生根。二是皮部生根型，即产生的不定根大多为皮部根，不存在愈伤根或者存在的愈伤根很少，其主要特点是根原始体在皮部和髓射线中产生，从皮孔上长出不定根，生根速度快，生根面积大[6]，如侧柏、圆柏、黄刺玫、紫杉（嫩枝扦插）、矮紫杉等。三是中间生根型，皮部根和愈伤根数量上无显著差异，中间生根型的植物较其他两种生根类型生根更容易[7]，如小叶杨、紫杉（硬枝扦插）、长白落叶松、秤锤树、红皮云杉等。

2 不定根发生的生理学研究

2.1 营养物质对不定根发生的影响

不定根发生和发育过程中，外植体中的碳水化合物、氮素化合物是不定根形成的主要物质基础，也是外植体在生根前维持自身代谢平衡的重要能源[8]。

碳水化合物中的可溶性糖和淀粉在不定根发生过程中起着重要的调控作用，为植物生长发育提供所需要的碳源，为不定根发育提供能量，是不定根发生发育最主要的能量来源[8]。可溶性糖在不定根形成前期大量积累，在不定根起始期和伸长期，外植体内贮存的碳水化合物通过水解酶的活动，被分解利用，为细胞分裂分化和不定根器官形成提供所必需的能量，橄榄、柚木、天竺葵等诸多试验也有类似现象。淀粉是植物细胞中碳水化合物最普遍的储藏形式，所有的薄壁细胞都有淀粉粒存在。淀粉为不定根的形成提供能量和碳骨架，当植物体内的可溶性糖含量不足时，淀粉可以转化为可溶性糖，是植物形成不定根过程中重要的能量来源之一。

氮素化合物中可溶性小分子蛋白与不定根发生密切相关，关系着根原始体的形成[9]。其中可溶性蛋白在不定根形成过程中代谢活跃，为不定根的形成提供充足的物质。有研究表明，兴安圆柏中可溶性小分子蛋白能够激活与生根的相关基因[10]，此外在拟南芥、楸子树中发现的可溶性小分子蛋白与细胞的分裂分化、愈伤组织的形成、根原基的诱导密切相关。

2.2 酶对不定根发生的影响

过氧化物酶（POD）、多酚氧化酶（PPO）、吲哚乙酸氧化酶（IAAO）是目前公认的与不定根发生相关的重要的酶[11]。它们不仅参与植物体内的生理代谢和生化反应，而且在植物器官从头再生中发挥着建设性的作用。

POD是植物体普遍存在的、活性高的一类酶，它与生长素的氧化有密切关系[12]。在不定根形成过程中，它的活性不断发生变化，POD含量的变化可以反映不定根发生时期植物体内代谢变化。POD能促进生根的另一原因是可以破坏抑制不定根发生物质[13]。

PPO是一类金属蛋白酶，它广泛存在于植物体内，能催化酚类物质和IAA形成一种生根的辅助因子IAA-酚酸复合物[14]，与不定根的形成具有密切的联系，可以促进桉树、光叶楮等难生根植物的外植体不定根的发生，在易生根植物的PPO的活性和含量比难生根植物高。通过前人对桉树的研究，发现PPO在外植体的根原基形成部位活性高，能催化生长素的代谢，促进不定根的发生与发育。

IAAO促进不定根形成是由于它可以降解植物体内IAA的水平，在易生根的植物体内发现IAAO活性高[15]。外植体内的IAAO活性与愈伤组织有必然的联系，IAAO可以作为判断愈伤组织形成能力的指标之一，一般情况下愈伤组织在激素诱导下会形成不定根。对榛子、马尾松、光叶楮、刺槐等植物研究发现，在愈伤组织形成期和根原基诱导期IAAO的活性逐渐升高，在根原基形成时达到最大值，在不定根伸长过程逐渐下降，因此通过IAAO含量的变化可以判断不定根发育的时期。

2.3 激素调控对不定根发生的影响

影响不定根发生的激素主要包括生长素（Aux）、细胞分裂素（CTK）、脱落酸（ABA）。其中生长素在不定根发生过程中起着关键的作用。

生长素中的吲哚乙酸（IAA）、萘乙酸（NAA）等是植物不定根诱导过程中是最常用的激素。扦插时，在枝条上保留一些正在生长的芽或者幼叶，枝条基部会产生愈伤组织和不定根，这是由于芽和叶片中产生的生长素通过极性运输累积到基部使插条产生不定根[16]，通过外施生长素能使形成层薄壁细胞恢复分裂机能、刺激愈伤组织细胞的分裂与分化、诱导根原基的发生。生根率随着生长素浓度的升高而增加，但高浓度的生长素对生根也有抑制作用。此外，生长素还能显著促进植物维管组织的分化，促进愈伤组织与茎的贯通。

细胞分裂素影响细胞的分裂扩展、营养运输、根端茎端分支等，还能加速根原始体薄壁细胞的快速分裂，进而形成根原基，但细胞分裂素只有在与生长素互相作用的前提下才能表现出来[17]，两者的相互作用共同控制着愈伤组织向根或者芽的分化。对马铃薯、拟南芥等试验发现，当培养基中CTK/IAA比值高时，愈伤组织分化形成芽；当CTK/IAA比值低时，愈伤组织分化形成根；如果外植体中的生长素和细胞分裂素含量相当，则愈伤组织不分化继续保持生长。所以，通过调节二者的比例，可诱导愈伤组织产生不定根[18]。在拟南芥中，根据细胞分裂素氧化酶使细胞分裂素失活原理，对细胞分裂素在根中的作用进行反向研究，过表达的细胞分裂素氧化酶的植株根系发达、根系总长度、初生根长度、侧生根和不定根数目增加，在细胞分裂素受体突变体中也有类似表现。

通常ABA含量的增加对不定根的发生有抑制作用[19]。在葡萄中ABA含量在根源诱导期含量最低，而在生根后含量会增加。插穗的枝龄越大，ABA含量越高，反之，ABA含量越小。因此，与硬枝扦插相比，嫩枝扦插更容易生根。研究发现，根原基诱导和伸长两个阶段中，ABA与表皮细胞的凋亡密切相关，能够通过调整代谢网络，使细胞程序性死亡从而调整不定根发生的速率。此外研究表明，在榉树中ABA通过与GA拮抗作用促进不定根的发生[20]。

其它激素如乙烯、多胺、茉莉酸等对不定根的发生也有显著作用。乙烯在根中与其它激素共同发挥作用，其中乙烯与生长素之间的共同作用是不定根形态发育中的重要因素。乙烯还可诱导插枝不定根的形成，促进根的生长和分化，刺激根毛的大量发生[21]。多胺能调节植物的多种生理活动，促进植物的生长，诱导形成层和维管组织的分化[22]，促进不定根与枝条连接。

2.4 信号传导对不定根发生的影响

不定根发生的信号传导主要涉及激素信号传导和第二信使信号传导，信号传导途径通过胞内信号系统引起一系列生理生化反应。

生长素信号传导途径是不定根发生作用中一条重要的途径。生长素对不定根的促进作用属于长期效应，外植体中的大部分基因处于抑制状态，生长素的作用就是通过外界的诱导，活化被抑制的基因，从而转录并翻译出新的蛋白质[23]。当IAA与外植体薄壁细胞中的激素受体蛋白结合后，激活细胞内的Ca2+、IP3、cAMP等第二信使，并将信息转导至细胞核内，激活与不定根发生相关的基因。研究结果发现，与生长素信号传导的蛋白受体主要有生长素/吲哚乙酸蛋白(Aux/IAAs)、生长素响应因子(ARFs)、SCFTIR1/AFBS复合体[24]。目前已经从拟南芥、水稻、烟草等植物中发现了Aux/IAA基因。Aux/IAA通过与ARF转录因子互作介导生长素响应，直接调控生长素早期响应基因的表达。拟南芥中29个AtAus/IAA大多数与侧根或不定根的发育有关；水稻中31个OsIAA基因影响水稻不定根的形态和叶片的形态。SCFTIR1/AFBS复合体是多亚基泛素-蛋白连接酶E3的一种。SCFTIR1能够解除Aux/IAA蛋白的阻遏，激活ARF蛋白。TIR1是一种生长素受体，在拟南芥中生长素促进TIR1与Aux/IAA结合，随后Aux/IAA蛋白被泛素化，逐渐降解。T1R1家族成员中的AFB1同样也具有生长素受体作用，但在拟南芥根中对2，4-D不反应。

在植物体内细胞分裂素响应因子主要分为两类，一是以负反馈方式对细胞分裂素信号传导进行抑制，二是介导细胞分裂素相应基因的转录激活[25]。研究发现，水稻中存在多个第二类调节因子RR基因，在不定根发育早期，RR2基因在根原基细胞中表达，细胞分裂素对该基因的表达有诱导作用，且WOX11转录因子能够在转录水平对该基因进行负调控。WOX11在水稻中通过反馈调控的方式对生长素信号和细胞分裂素信号进行整合，以确保水稻不定根的正常发育。

NO、Ca2+等作为第二信使对生长素的运输有重要作用。在黄瓜和万寿菊不定根诱导反应中NO参与IAA信号传导[26]，在不定根发生中，NO通过激活MAPK级联反应，从而激活与生长素相关基因，另外通过cGMP依赖途径，NO直接调控不定根的发生。[Ca2+]cyt的时空变化影响生长素和脱落酸ABA的生理作用，Ca2+作为第二信使，间接参与不定根发生的代谢通路。研究发现在外源激素中加入CaCl2会促进不定根的生长和发育，阻断Ca2+信号通道后不定根的发育受阻[27]。

3 展望

不定根的形成和发育是果树重要的无性繁殖方式之一，越来越受到园艺工作者的重视。目前，对不定根发生意义的认识已比较充分，对影响不定根形成的内外因子也有较深入的了解，既有单个作用机理的研究，也有多种协同作用的探讨。然而，不定根形成的机理和机制比较复杂，有些方面如各因子之间的相互协同作用、决定生根类型的基因等仍欠缺研究，未来对影响不定根形成的主导因素和机理需要做进一步探讨研究。