烟草不定根发生研究进展

周俊成，彭三喜，高焕晔，2*

(1 贵州大学烟草学院，贵州 贵阳 550025；2 贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州 贵阳 550025)

植物根系可分为定根和不定根，不定根系主要由下胚轴、茎、叶、芽等组织发生形成。其发生形式多样，一些植物可通过生长调节剂的诱导、机械损伤、洪害以及病原微生物等方式诱导不定根形成[1-2]。不定根会显著增强植物对营养元素的吸收及干物质的合成与积累[3-5]。Kawase 等[6]发现，淹水初期烟株形成的不定根可取代因缺氧而死亡的初生根系，从而使烟株保持生理功能和活性。根系是物质合成的重要器官[7-8]。黄琰等[9]发现，淹水条件下产生的不定根会取代衰退的主、侧根，同时脱氢酶及谷氨酰胺合成酶等相关酶的活性不断提高，从而提高烟株根系对氨的同化能力和改善烟株的生长协调性。此外，不定根的发生还可加强对植物地上部分的支撑和固定作用。

烟草是我国重要的经济作物。根系是烟株吸收土壤营养的主要器官，其活跃程度和数量在某种程度上决定着烟株吸收养分的数量[10]。烟草不定根在烟株根系中的吸收和生长能力均比较强，深入研究烟草不定根的形成及调控措施，对烤烟的生长发育和烟叶品质形成具有重要意义[11-12]。

1 不定根的发生组织学

不定根在形态结构上与主根和侧根几乎完全相同，由表皮、皮层、内皮层和中柱鞘等几部分组成；不定根、主根和侧根均有明显根冠、分生区、伸长区和根毛区等特征[13-14]。不定根发生的调控因子受内部遗传因子和外部环境信号的共同作用[15]。其发生方式主要有两种:一是直接从外植体上发生不定根；另一种是先产生愈伤组织，再通过愈伤组织形成拟分生组织形成不定根原基[16]。

刘国彬等[17]研究发现，侧柏扦插后会出现皮部生根、愈伤组织生根和愈伤组织兼具皮部生根3 种类型；不定根原基的组织学起源是愈伤组织、髓射线、射线原始细胞、尚未分化成熟的木质部细胞，通过人工诱导同时激活这些不定根起源位点能显著提高生根率和生根质量。Edwards 等[18]认为，扦插生根的难易取决于韧皮部厚壁组织的分布。但吕梅等[19]研究发现，厚壁组织状态与扦插生根难易程度无明显的关系。这说明不同植物组织内部不定根的诱导机制存在差异，针对性地对不同类型植物的不定根诱导机制开展研究具有重要意义。

2 诱导烟株不定根发生的因素

2.1 相关基因的表达

植物生命周期内的生长发育均是不同基因在时间和空间的顺序性表达结果[20]。当植物接收到体内或外环境刺激信号时，会通过一系列信号转导来激活RNA 聚合酶Ⅱ进行转录，最终通过基因表达产物来调节或适应外环境[21]。不定根的最终形成就是由无数基因特异性表达的结果[22]。

在烟草不定根诱导形成期基因HRGP-nt3表达量较高[23]；而周期蛋白基因CycB的过量表达同样能促进不定根及不定芽的形成，因此推测烟草不定根及不定芽的形成可能与该基因的表达有关。张萍等[24]将棉花纤维cDNA 中的乙烯合成基因GhACO3转到烟草中，结果发现与未转入乙烯合成基因烟草株相比，GhACO3基因对不定根发生具有显著促进作用。敖振超等[25]认为，基因Gmr937的表达能明显的促进烟草侧根的发育。董绍旺等[26]研究发现，转Prd29A-ipt基因促进烟株侧芽生长的同时还对根的延伸产生抑制作用。汪蕙[27]研究发现，用生长素处理转Mp ADC基因烟草株系，培养一定时间后，Mp ADC基因过表达的烟株产生不定根，培养时间越长，不定根越多，这表明过表达ADC基因有促进烟株不定根发生的作用。另外，吕贇[28]研究发现，鸡干扰素(ChIFN)能促进烟草不定根的形成和发育，并推测烟草不定根的发生可能是通过ChIFN-α促进百脉根生长素合成、运输、响应等相关基因的转录和调控有关。

以上研究表明，烟草不定根的形成是由众多基因特异性表达的结果。除此，相关植物激素基因也会通过调控该激素水平来影响植物不定根的形成；如赤霉素(GA)代谢关键酶基因PtGA2ox1、生长素(IAA)合成限速酶基因NtYUCCA、AUX/IAA 家族基因等[29-31]。

2.2 相关激素的诱导

2.2.1 生长素(IAA)

生长素在不定根的形成过程中起中心作用。据前人研究，植物生长素(IAA)对根系发育调控的途径可分为2 条:一是IAA 信号反应调控根系发育，二是通过IAA 的运输、分布来控制根的发育。植物组织不定根的形成大多都经过一定浓度的IAA 调节处理[32]。为探究内源IAA 信号路径对烟草不定根形成的调控作用，黄琰等[33]通过对水分、光照和施用生长调节剂等对K326 不定根生长发育的研究，结果表明水分、光照以及IAA 对诱导不定根的形成具有重要的影响，其中水分是保持不定根生长发育和较高活性的关键因素，而适量施用生长素处理对增加不定根数量和提高根系活力有重要的促进作用。这说明一定浓度的IAA 处理能有效促进烟草不定根的形成。

2.2.2 赤霉素(GAs)

赤霉素(GAs)对烟草不定根的形成和伸长具有显著促进作用。刘畅[34]通过研究GAs 对烟草发育的影响发现，降低烟株茎部木质部形成层中活性GAs 的含量对烟株不定根和叶片的发育会产生影响。杨钧贺等[35]同样发现，GAs 含量变化对烟草不定根的发育有显著影响，其中木质部形成层中活性GAs 的含量是影响不定根发育的重要因素。钮世辉等[36]在对赤霉素对不定根发育的调控作用中研究发现，外源施加GA3会降低烟草茎段不定根的数量，但对不定根的伸长具有显著促进作用。此外，GAs 对植物的花芽分化、抗冷性、维管形成、干旱胁迫、促进叶生长和开片、促进花和果实的发育以及促进侧芽生长等方面同样有着重要的作用[37-42]。

2.2.3 细胞分裂素(CTK)

细胞分裂素(CTK)及IAA 对多种植物不定根和侧根形成有重要调控作用[43]。有研究表明，CTK和IAA 在莴苣根原基形成前后含量变化明显；根原基形成前CTK/IAA 比值低，但在根原基出现后，CTK/IAA 的比值明显增高[44]。在烟草离体组织培养中，CTK 和IAA 的比例是控制外植体的根及愈伤组织形成的重要条件[45]。CTK 对烟草全株有促进侧芽长出、叶片伸展和抑制叶片衰老的作用，可促进生根烟草组织培养[46]。唐玉林等[47]对烟草叶的外植体在诱导根分化的研究中发现，一定浓度的CTK是烟草不定根原基形成的必要条件之一，但过高浓度的CTK 则对不定根发生有强烈的抑制作用。这表明，CTK 在不同浓度及激素协同下产生的效应不同，但可以明确的是，CTK 对烟草不定根的形成具有重要影响。

2.2.4 脱落酸(ABA)

脱落酸(ABA)对植物不定根形成的影响表现为与其他激素的协同或拮抗作用，ABA 与GA 通过抑制细胞的分裂和促进细胞伸长来调控不定根生长[48-49]。高水平的ABA 与IAA 均能促进不定根原基的形成，但ABA 的诱导效应弱于IAA[50]。另外，不同浓度的ABA 对杨树切段生根产生的影响也不同，低浓度的ABA 能促进切段生根，高浓度则表现出抑制[51]。这表明，ABA 对植物不定根的形成具有重要影响，且不同植物对ABA 的浓度及与不同激素的拮抗或协同反应有所差异，但该激素在烟草不定根形成中所产生的调控效应尚未见报道。

2.2.5 乙烯(ETH)

乙烯(ETH) 对不定根的形成具有促进作用[52-53]，其在水稻、玉米、牵牛等植物上具有相同效果[54]，主要是在诱导期和起始晚期起作用[55]。在拟南芥中不定根的形成随ETH 含量增加表现出抑制，而当ETH 对同一插穗处理时，则表现出促进、抑制和不影响的作用[56]。但烟草不定根形成对不同条件下ETH 的浓度反应、ETH 与其它激素对烟草不定根形成的共同作用及外源ETH 对烟草不定根形成的影响机理等尚未明晰。

2.3 外源因子的诱导

2.3.1 光照

光照是影响和调控植物生根的因素之一，不同植物对促进生根的最适光照时长、光质、波长、强度等也有差异[57]。蒋小满等[58]研究发现，与暗处理相比，光照能大大提高蚕豆幼苗不定根的发生率；同时，不同光照条件下多酚氧化酶活性也有差异，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，黑暗条件下不定根原基无法突破表皮，而一定强度的光照可以促进不定根的发生；同时，不同光质对不定根的影响也有差异[59]。

光照和水分均是烤烟不定根形成的重要条件，当烟株茎部处于黑暗环境时可诱导不定根的发生，而水分则与不定根的生长发育和活性保持有关[60]。不同光质比例对烟草组培苗的根系数量、根系长度等都有不同的影响[61]。王芳芳[62]认为，光质对不定根形成的调控可能是通过影响不同生长素的运输与分布来实现的。

2.3.2 无机盐及金属离子

无机盐和金属离子均对不定根的产生和生长有较大影响[63-64]，其主要是通过浓度对植物不定根产生作用[65]。贾志红等[66]研究发现，低磷(P)处理对烟草不定根形成的数量和根重都显著高于高P 处理。也有研究表明，缺硼(B)会导致生长素积累而抑制根系生长[67]，这与俞丁力[68]、徐淑芬等[69]、Ruiz 等[70]结果一致。张春[71]研究发现，培土层的营养条件密切影响着烤烟不定根的形成，不同氮肥形态对烟株不定根形成的影响有明显差异，其中NH4+-N 最有利于烤烟不定根的形成，且活性最高。

2.3.3 栽培、培土与施肥技术

良好的栽培技术对烟草不定根系的形成、根系活力的提升等均有显著的影响[72-73]。培土措施是影响不定根形成的重要因素之一，高培土、深栽烟，分层、分次施肥等均具有增加较强吸收活性的不定根数量，从而提升烟株对营养元素的吸收效率[74-77]。蒋志宏等[78]研究发现，培土处理有利于促进K326 不定根的产生，同时还能在一定程度上增加烟叶的光合速率和改善烟叶的光合性能。培土措施对烟株影响的主要是培土时间、深度和次数等方面，一定苗龄下培土时间越早则越有利于不定根的诱导[79]。烟株不定根的形成随茎部位的升高而减弱[63]。另外，张琳等[80]研究发现，栽培过程中对烟株进行损伤处理对烟苗不定根的生长和根系活力有明显促进作用。

3 问题与展望

总之，烟草不定根的发生是受基因、激素、环境等多因素影响，无论是不定根发生基因的表达、相关植物激素诱导，还是外源因子的诱导，均可在一定程度上对烟草不定根的发生产生影响和调控。目前对不定根诱导的研究已经从外部诱导因子深入到了内部生理生化、基因及组织蛋白水平。尽管如此，诱导不定根发生的分子机制尚不明晰，但随着现代分子生物学技术、蛋白组学、基因组学、遗传学及代谢组学等理论、技术的不断发展，这些问题将会一一得到解决，从而促进烟草不定根诱导理论体系的完善和发展，为烟草及其它作物的不定根根系诱导提供新的方法和思路。