全 文 :植物营养与肥料学报 2016,22(3):802-810 doi牶1011674/zwyf.14456
JournalofPlantNutritionandFertilizer htp://www.plantnutrifert.org
收稿日期:2014-09-29 接受日期:2015-04-08
基金项目:华中农业大学自选项目(52207-05019)资助。
作者简介:张德健(1988—),男,安徽芜湖人,博士研究生,主要从事根系栽培生理学研究。
Tel:027-87284181,Email:zhangdejian0551@126com。通信作者 Tel:027-87286913,Email:renxuexia@mail.hzau.edu.cn
矿质养分和激素对根毛生长发育的影响及作用机制
张德健,夏仁学,曹 秀
(华中农业大学教育部园艺植物生物学重点实验室,湖北武汉 430070)
摘要:【目的】植物矿质养分和水分的吸收利用赖于根系,根系中根毛的生长发育不仅扩大了根系吸收表面积,促
进了矿质养分和水分的吸收还有助于植物根的固定以及与土壤微生物的互作。本文从矿质养分角度(氮、磷、钾、
钙、铁)和激素角度(生长素、乙烯、茉莉酸、独脚金内酯、油菜素内酯)探讨影响根毛生长发育的因子及作用机
理。【主要进展】氮对根毛生长发育的影响与茉莉酸和乙烯有关,磷与生长素、乙烯、独脚金内酯互作调控根毛生
长发育;生长素和乙烯以交互作用调控根毛生长发育,茉莉酸、独角金内酯和油菜素甾醇对根毛生长发育的作用是
部分依赖生长素或乙烯途径;植物体内生长素和乙烯等激素的平衡对根毛的生长发育起着重要作用。【建议和展
望】基于以上分析,从蛋白激酶及其相关调控基因及转录因子等方面可深入探析矿质养分、植物激素等对根毛和
丛枝菌根生长发育的影响。
关键词:根毛;发育;氮;磷;生长素;乙烯;丛枝菌根
中图分类号:Q945.12 文献标识码:A 文章编号:1008-505X(2016)03-0802-09
Efectsandmechanismofmineralnutrientandphytohormoneon
roothairdevelopment
ZHANGDejian,XIARenxue,CAOXiu
(MinistryofEducationKeyLaboratoryofHorticulturalPlantBiology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070,China)
Abstract:【Objectives】Roothairsaretubularprojectionsfromrootepidermalcels.Theirformationmakea
significantincreaseinrootsurfacearea,whichplayimportantrolesinnutrientsandwateruptake,anchorage,and
interactionwithsoilmicroorganisms.Inthisreview,wediscussedtheefectsofmineralnutrients(nitrogen,
phosphorus,potssium,clacium,iron)andphytohormones(auxin,ethylene,jasmonicacid,strigolactone,
brassinosteroids)onroothairsdevelopmentandtheirrelevantmechanisms.【Majoradvances】Theefectof
nitrogenonroothairsdevelopmentisrelatedtojasmonicacidandethylene.Interactionexistesbetweenphosphorus
andphytohormones(auxin,ethylene,strigolactone)onroothairsgrowth.Theinteractionbetweenauxinand
ethyleneregulatesroothairsdevelopment.Theefectsofjasmonicacid,strigolactoneandbrassinosteroidspartly
dependonthewayofauxinandethylene.Thebalanceofauxin/ethylenemaybeimportantonroothairsgrowthand
development.【Suggestionsandexpectations】Onthebasisoftheabovereview,itisimportanttostudythe
regulatorygenesandtranscriptionfactors,whichwilbehelpfultodeeperunderstandtheefectsofmineralnutrient
andphytohormoneonarbuscularmycorhizasandroothairsdevelopment.
Keywords:roothairs;development;nitrogen;phosphorus;auxin;ethylene;arbuscularmycorhiza
根毛是植物根表皮细胞特化而形成向外凸起且
顶端封闭的管状器官,是根的一种特殊结构[1]。根
毛扩大了根系吸收矿质养分和水分的表面积,有利
于提高根系吸收土壤中矿质养分和水分的效率,尤
其是对土壤中短距离运输的磷、钾等矿质养分的吸
收特别重要[2-7]。根毛生长发育过程大致可分为4
3期 张德建,等:矿质养分和激素对根毛生长发育的影响及作用机制
个阶段:根毛细胞命运决定、根毛起始、根毛顶端
生长、根毛成熟[8]。矿质养分和激素影响着根毛生
长发育各个阶段,尤其对根毛顶端生长影响很大,相
关转录因子及特异基因参与矿质养分和激素对其生
长发育的调控[5,9-12]。本文拟从氮、磷、钾、钙、铁
等矿质养分和生长素、乙烯等激素对根毛生长发育
的影响及其作用机制进行综述,为深入研究植物根
毛的生长发育和提高植物对矿质养分及水分的吸收
利用提供参考。
1 矿质养分对根毛生长发育的影响
11 氮
植物根系吸收土壤中氮(N)元素的主要形式是
硝态氮(NO-3)和铵态氮(NH
+
4)
[13]。早期研究已发
现氮影响植物根毛的生长,且 NH+4 比 NO
-
3 更敏
感[14]。从番茄(Lycopersiconesculentum)中克隆到
NH+4 和NO
-
3 转运体(LeNRT1-2、LeAMT1),发现它
们在根毛中特异表达,且被外源氮供应所调控[15]。
拟南芥生长在高浓度硝酸铵(NH4NO3)条件下,其
根系产生大量分叉根毛,这些分叉根毛生长在由生
毛细胞产生根毛部位形成的较大凸起部位[16]。
NH+4 促进根毛分叉的作用机理可能与茉莉酸甲酯
和乙烯有关,茉莉酸甲酯增强了它对根毛的分叉作
用,而乙烯能降低此效应[17]。也有研究认为 NO-3、
NH+4 与ROPs信号互作,进而调控根毛的顶端生
长[18-19]。细胞质中NH4
+平衡能够维持根毛顶端生
长,其机理是通过 ROPs调节活性氧(ROS)以维持
细胞质中钙离子浓度梯度,而钙离子浓度梯度对根
毛顶端生长十分重要[20]。CAP1作为钙离子相关蛋
白激酶基因,突变后将降低 NH4
+流出,提高细胞质
NH4
+的水平,从而破坏钙离子浓度梯度,终止根毛
顶端生长[20]。
12 磷
磷(P)是植物生长发育所必需的元素之一,然
而土壤中可直接被吸收利用的有效磷浓度较低,这
迫使植物进化出一套应对磷缺乏响应机制,其中较
典型的是促进根毛生长发育[21]。
磷对 根毛 生 长 发 育 的 影 响 已 在 拟 南 芥
(Arabidopsisthaliana)、 番 茄、 蓟 草 (Cirsium
japonicum)、油菜(Brasicacampestris)、甜菜(Beta
vulgaris)、大麦(Hordeumvulgare)、菜豆(Phaseolus
vulgaris)、枳(Poncirustrifoliate)等植物中有较深入
研究。缺磷能够使枳主根根毛密度从150条/mm2
提升到 250条/mm2,长度从 45μm增加到 60
μm[5,9]。缺磷条件下的拟南芥根毛密度和长度是
不缺磷时的3 5倍,且生长速度也提高了1倍,使
根的表面积从021mm2/mm提升到144mm2/mm
[22-24]。磷胁迫能引起拟南芥根毛密度增加主要是
由于促进生毛细胞最终凸起成为根毛的比例,促进
非生毛细胞凸起成为异位根毛,降低生毛细胞直径
以提高单位面积生毛细胞数量[22,25-26]。
不同磷效率植物根毛对磷胁迫的响应不一样,
如菜豆磷吸收低效品种在低磷条件下有大量根毛形
成,而磷吸收高效品种却没有[27]。磷对根毛的影响
在不同基因型植株中也有区别,如拟南芥根毛缺失
突变体,缺磷促进了其根毛长度的增加,却对根毛密
度没有显著影响[28]。
很多研究认为磷对根毛生长发育的调控伴随着
内源激素信号途径,且主要有以下3种状况:
1)磷与生长素互作于根毛生长发育 拟南芥
生长素信号传导突变体 axr1、axr2、aux1因缺乏生
长素信号致使根毛生长发育受阻,而缺磷能回复根
毛正常生长[23]。生长素运输抑制剂2-(对 -氯苯
氧基)-2-甲基丙酸(CMPA)会显著抑制低磷对根
毛生长发育的促进作用[25]。
2)磷与乙烯互作于根毛生长发育 乙烯信号
突变体ein2因缺乏乙烯信号导致根毛生长发育受
阻,而缺磷能诱导其根毛正常生长[23,29]。深入研究
发现缺磷诱导根产生乙烯的量是不缺磷的2倍左
右,因此认为缺磷刺激乙烯信号突变体 ein2产生乙
烯,进而促进根毛正常生长[23,29]。采用乙烯生物合
成抑制剂 AVG处理发现其能够抑制低磷对根毛生
长的促进效应[30]。
3)磷与独脚金内酯互作于根毛生长发育 磷
胁迫对根毛生长促进效应在拟南芥独脚金内酯突变
体max2和max4中被降低,该突变体也降低了磷胁
迫响应基因PSI的表达量,而外源施加独脚金内酯
(GR24)能够提高 PSI的表达量,并促进根毛
生长[31]。
13 钾
近些年的研究发现钾(K)能影响根毛的生长发
育[32]。如低钾(005mmol/L)条件下,烟草的根毛
密度、长度显著大于正常供钾(5mmol/L)的根毛密
度和长度[33]。低钾对根毛生长作用机理可能是低
钾能激活植物高亲和性钾离子转运蛋白和打开钾离
子通道[34]。钾离子转运蛋白突变体 akt1和钾离子
生化阻断剂能够证明钾离子通道对根毛顶端生长十
308
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 22卷
分重要[35-36]。在拟南芥trh1突变体中,发现生长素
输出载体 PIN1异位表达,从而影响生长素体内运
输和分布,最终阻碍根毛生长,其中TRH1是编码钾
离子运输载体,由此可推测钾通过生长素正调控根
毛生长发育[36-37]。然而在枳的研究中发现缺钾处
理时,主根和侧根的根毛密度、长度及直径均显著
低于正常供钾处理[3-5]。由此可见钾对不同植物种
类根毛生长发育的影响及作用机理或许存在差异。
14 钙
钙(Ca)作为细胞信号传导的第二信使,已被证
实在植物生长、发育以及抗逆性等方面具有重要作
用。研究发现钙也参与根毛的生长发育,外界钙离
子浓度对根毛发育具有显著影响。如当外加钙离子
浓度为03 3mmol/L时,拟南芥根毛长度达到最
大值[38]。钙离子螯合剂乙二醇 -双 -(2-氨基乙
基醚)四乙酸(EGTA)和钙调素拮抗剂三氟拉嗪
(TFP)及氯丙嗪 (CPZ)均可显著抑制根毛发生和生
长,外源施加钙调素可减弱此抑制作用[32,39]。由此
表明钙离子在根毛形成和生长过程中具有十分重要
的作用。
利用激光共聚焦技术发现钙离子在根毛顶端生
长过程中浓度梯度的变化。根毛进入顶端生长阶
段,其顶端形成一个钙离子浓度梯度,当根毛进入成
熟阶段或因外界环境干扰使其停止生长时,钙离子
浓度梯度将消失[40]。人为让钙离子浓度梯度消失,
根毛顶端生长直接被终止[41]。外源处理使顶端一
侧的钙离子浓度升高时,根毛生长方向被改变[42]。
这种钙离子浓度梯度可能通过影响根毛中细胞骨架
的形成以及肌动蛋白、囊泡的移动、微管排列等来
影响其顶端生长,质膜上 PCaP2作为钙离子结合蛋
白以信号传导模式参与此过程[43]。最近的研究发
现钙离子相关蛋白CAP1通过维持细胞质中钙离子
浓度梯度调控根毛顶端生长[20]。根毛顶端生长与
其顶端钙离子浓度梯度密切相关。
15 铁
铁(Fe)广泛参与植物一系列重要的生理生化
代谢,如光合作用、叶绿素的合成、植株体内氧化
还原反应和电子传递等。当土壤中可直接被吸收利
用的有效铁较少时,植物将做出一系列反应以应对
铁胁迫,其中典型的是促进根毛生长发育,如铁胁迫
可促进枳和拟南芥根毛的生长发育,增加其根吸收
表面积,进而提高了铁元素的吸收[3-5,26]。铁胁迫
可能通过铁氧化还原蛋白 PFLP(plantferedoxin
likeprotein)在NADPH氧化酶(NOX)作用下影响体
内 ROS含量[44-47]。ROS能够激活 ACC合成酶
(ACO)促进乙烯合成,进而促进根毛生长发育[48]。
因此铁可能通过乙烯信号影响根毛生长发育。然而
缺铁和低铁对拟南芥根毛作用机理有所区别,缺铁
是通过促进根毛分叉以增加根毛数量,而低铁促进
根毛生长发育主要是通过诱发更多的表皮细胞凸起
成为根毛并促进凸起后的顶端生长[26]。
2 激素对根毛生长发育的调控
21 生长素
生长素(auxin)作为调控植物生长发育的主要
激素,影响着植物根毛凸起和伸长生长。拟南芥生
长素响应突变体axr1的根毛长度显著低于野生型,
证明生长素对根毛顶端生长很重要,但其表皮细胞
发育成为根毛的比例与野生型无显著差异[49],这与
先前生长素对生毛细胞比例的作用无显著影响的结
论相似[50]。然而后期研究结果表明生长素也参与
调控根毛起始。外源生长素类似物萘乙酸(NAA)
提高了拟南芥根毛数量和长度,外源施加的生长素
运输抑制剂1-萘氧乙酸(1-NOA)和1-萘氨甲酰
苯甲酸(NPA)则阻碍了根毛凸起和伸长生长[51]。
这些不同的结果可能与其施用外源生长素的浓度等
有关,而生长素在根毛细胞中的浓度对根毛的凸起
和顶端生长十分重要[52-53]。根毛细胞中的生长素
浓度与生长素运输相关,然而生长素不是从根尖直
接运输到生毛细胞,而是以非生毛细胞作为中转站
进行极性运输,从而影响生毛细胞中生长素的浓度
进而影响根毛生长发育[54]。外源施加NAA可导致
生长素响应报告基因 DR5:GUS在非生毛细胞中大
量表达,非生毛细胞积累生长素,然后运输到生毛细
胞促其发育成为根毛[55]。生长素在根中的极性运
输是需要载体的,拟南芥生长素流入载体基因 PIN2
突变后,将抑制生长素从根尖向根毛区运输,同时抑
制生长素从非生毛细胞运输到生毛细胞,生毛细胞
缺乏生长素信号,将阻碍根毛的凸起和顶端生
长[56]。PIN7、PGP4和PDR8作为生长素流出载体
基因,其表达量下降能降低拟南芥生毛细胞中的生
长素流出速度,因而生毛细胞积累较多的生长素,在
一定的浓度范围内促进根毛生长发育[52,55,57-58]。
生长素作为信号物质影响根毛发育,合适浓度的生
长素对根毛生长发育有利。如 NAA施加过量将使
拟南芥根毛的长度显著下降[59-60],1μmol/L的吲哚
丁酸(IBA)促进枳根毛生长效果最佳[9-10]。
408
3期 张德建,等:矿质养分和激素对根毛生长发育的影响及作用机制
22 乙烯
乙烯(ethylene)以双重作用影响根毛发育,即提
高凸起率和促进顶端生长。拟南芥乙烯不敏感突变
体etr1的根毛数量和长度显著低于野生型,而乙烯
过量突变体eto1由于产生了大量乙烯,提高了根毛
的数量和长度[61]。经乙烯合成前体1-氨基环丙烷
-1-羧酸(ACC)诱导的野生型拟南芥,它们根毛长
度和密度均得到了提高,通过切片等试验证明其密
度的增加是由于提高了生毛细胞最终凸起成为根毛
的比例和更多异位根毛的产生[62]。乙烯生物合成
抑制剂氨基乙氧基乙烯甘氨酸(AVG)则能阻碍生
毛细胞凸起以及凸起后的顶端生长[50]。在生毛细
胞凸起启动之后,采用乙烯生物合成抑制剂1-甲基
环丙烯(1-MCP)处理,发现根毛的密度无显著变
化,但顶端生长受抑制[63]。这说明乙烯作为信号物
质在根毛凸起之前调控表皮细胞凸起发育成根毛,
在根毛凸起之后调控其顶端生长。
值得注意的是生长素和乙烯可能以交互作用调
控根毛生长发育[64]。拟南芥生长素响应突变体
axr1和乙烯响应突变体 etr1的根毛生长受到阻碍,
外源施加乙烯前体ACC均能回复其根毛正常生长,
甚至其长度和密度超过野生型植株,切片分析其密
度的提高是由于产生了异位根毛[49]。拟南芥乙烯
信号传导突变体 ein2-1的根毛顶端生长受到显著
抑制,外源施加 NAA能够使其回复至野生型水
平[65]。研究认为表皮细胞中生长素水平对根毛的
凸起和顶端生长至关重要,乙烯突变体根毛生长回
复到正常水平需要 NAA的量是生长素突变体的1
倍[65]。通过转录组数据发现生长素和乙烯均能够
使90%与根毛发育相关的基因上调表达,这充分证
明生长素和乙烯部分通过共同的路径参与调控根毛
的发育[66]。然而它们在调控根毛发育过程中的作
用和关联有两种相反看法。
1)生长素在乙烯上游调控根毛发育。生长素
能够促进乙烯的生物合成,因此生长素促进根毛的
生长被认为可能是通过内源乙烯途径[49-50]。外源
生长素能够回复拟南芥短根毛突变体 rhd6的根毛
长度至野生型水平,而乙烯生物合成抑制剂1-MCP
能够阻碍该效应[63]。拟南芥生长素信号缺失突变
体arf7和 arf9的根毛凸起和顶端生长受阻,外源
ACC处理能够回复根毛的正常生长[67]。据报道,根
毛的顶端生长需要生长素诱导的微管不规则分布,
而乙烯能够启动微管不规则分布[68]。由此认为生
长素位于乙烯的上游调控根毛生长发育。
2)生长素在乙烯下游调控根毛发育。乙烯能
够刺激生长素的生物合成和信号传导,并能促进生
长素运输到根伸长区的表皮细胞[69-70]。外源生长
素能够回复拟南芥乙烯不敏感突变体 ein2-1短根
毛表型[65]。拟南芥乙烯超量突变体eto1根毛较长,
生长素突变体aux1的根毛发育受阻,而其双突变体
eto1aux1的根毛凸起和伸长生长受阻[71]。所以认
为生长素在乙烯下游调控根毛生长发育。
但也有研究认为生长素提高根毛密度的机理可
能独立于乙烯。乙烯主要是通过异位根毛影响根毛
密度,外源施加IAA和生长素类似物2,4-二氯苯
氧乙酸(2,4-D)不能诱导拟南芥产生异位根毛。
生长素增加根毛数量的机理是:增加皮层细胞数量、
减小表皮细胞的长度,从而增加生毛细胞的数量;促
进更多的生毛细胞凸起成为根毛[11,50-51,62]。
23 茉莉酸和茉莉酸甲酯
除了生长素和乙烯对根毛生长发育有着显著促
进作用外,茉莉酸(jasmonicacid,JAs)和茉莉酸甲
酯(methyljasmonate,MeJAs)也具有类似作用。适
宜浓度的茉莉酸和茉莉酸甲酯能够提高拟南芥根毛
长度和密度,其密度的提高部分是由于产生了分叉
根毛[72]。茉莉酸可通过上调生长素合成基因
YUCCA8和 YUCCA9的表达,促进拟南芥内源生长
素的合成[73]。拟南芥生长素信号传导突变体 axr1
的主根生长受抑制,外源施加茉莉酸能够回复主根
正常生长,推测茉莉酸可能通过生长素路径调控根
系及根毛生长发育[74]。另有研究表明茉莉酸和茉
莉酸甲酯促进拟南芥根毛生长发育的效应可被乙烯
效应抑制剂银离子(Ag+)和乙烯合成抑制剂 AVG
消除,茉莉酸合成抑制剂布洛芬和水杨羟肟酸能够
抑制ACC促进根毛生长,它们也能够减少拟南芥乙
烯过量突变体eto2根毛的数量和长度[16,72],由此说
明茉莉酸和茉莉酸甲酯对根毛生长发育的作用是部
分依赖根中生长素或乙烯途径。
24 独角金内酯
新型激素独角金内酯(strigolactone,SL)也能促
进根毛的生长发育,并且与乙烯、生长素在调控根
毛发育过程中具有协同效应[67,75]。虽有研究认为
独脚金内酯可通过乙烯途径调控根毛生长发育,然
而其更有可能是依托生长素来调控根毛生长发育,
因为独角金内酯能够调控 PINs和 TIR1的表达,以
此影响生长素的运输和信号传导[76-77]。拟南芥生
长素运输突变体arf7、arf9添加外源独角金内酯,突
变体根毛恢复正常生长[75],这说明独角金内酯可能
508
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 22卷
独立或位于生长素下游调控根毛生长。然而,外源
生长素也可恢复独角金内酯信号传导突变体max2、
max4根毛至野生型水平[77],说明独角金内酯也可
能位于生长素的上游调控根毛发育。
25 油菜素甾醇
油菜素甾醇(brassinosteroids,BR)是近几十年
来确认的新型植物激素,被称为继生长素、细胞分
裂素、赤霉素、脱落酸、乙烯之后的第六大激素。
虽然它在植物茎、叶、根的生长以及维管组织的分
化、育性、种子萌发、顶端优势的维持、植物光形
态建成等方面与生长素具有协同作用,然而在根毛
生长发育方面却与生长素差异较大,即对根毛生长
发育既有促进又有抑制作用。在双子叶模式植物拟
南芥中的研究表明油菜素甾醇抑制根毛凸起和顶端
伸长生长,而在单子叶模式植物水稻(Oryzasativa)
中,油菜素甾醇对根毛的发育存在剂量效应,在一定
范围内促进根毛发育[78-80]。对拟南芥的研究还发
现,油菜素甾醇促进 AXR3/IAA17(生长素信号抑制
基因)上调表达[78],因此可推测油菜素甾醇有可能
通过 AXR3/IAA17抑制生长素信号传输,从而抑制
根毛生长。
3 结语
在植物根系中,矿质养分胁迫通过诱导根系细
胞内源激素信号变化以调控根毛发育,从而增加植
物对有限养分的吸收能力以适应胁迫环境。如磷、
铁、钾等胁迫能够增加根系内源生长素和乙烯含
量,促进根毛生长发育[29-30]。APSR1是磷胁迫响应
因子,其突变后,能使 PIN7(生长素流出载体基因)
表达下调,促进根毛生长发育[58,81]。乙烯生物合成
抑制剂 AVG处理能够抑制低磷对根毛生长的促进
效应[30]。乙烯过量突变体 eto3的根毛密度和长度
得到显著提高,然而缺铁能促进其密度和长度进一
步增加[23]。钾胁迫能够促进烟草根毛发育,推测生
长素输出载体 PIN1可能参与钾对根毛发育的影
响[33,37,82]。然而本课题组研究发现钾胁迫能够降
低枳根毛密度和长度[3-5],这或许与钾胁迫程度或
不同植物应对钾胁迫机制不同有关。总之,矿质养
分对植物根毛生长发育的影响不仅与激素信号相
关,而且与根毛发育的遗传相关,相关基因的表达等
影响着根毛的发生和生长。
已有研究表明缺磷不仅能够促进根毛发育,也
能促进丛枝菌根发育,且根毛和丛枝菌根不仅能够
提高植物对磷的吸收,也能增强植物抗旱能
力[3,9,83-84]。可见根毛和菌根都是植物适应环境胁
迫的一种途径,然而它们抵抗胁迫环境的能力差别
较大。大麦根毛相对于丛枝菌根在磷胁迫环境条件
下更具优势,而丛枝菌根相对于根毛能够更有效的
帮助植物适应干旱环境[85-86]。近年来的研究从转
录组数据中得到缺磷条件下有3000个差异表达基
因,通过全基因组共表达分析可知缺磷主要是通过
蛋白激酶(proteinkinases)促进根毛发育[87]。同时,
蛋白激酶对菌根的形成也是不可或缺的[88]。从蛋
白激酶及其相关调控基因或转录因子等方面进行研
究,或许可深入探析矿质养分(如磷、铁等)对根毛
和丛枝菌根的影响及其相互关系,进一步挖掘植物
对胁迫环境的适应机制。
影响植物根毛生长发育的激素较多,但其中起
调控作用的主要为生长素和乙烯,茉莉酸、独脚金
内酯、油菜素甾醇等激素对根毛生长发育的作用主
要是通过影响生长素和乙烯而起作用。虽然有研究
认为,生长素提高根毛密度的机理可能独立于乙烯,
但多数研究认为二者相关联,即它们在调控根毛发
育过程中的作用或是生长素在乙烯上游调控根毛生
长,亦或是生长素在乙烯下游调控根毛发育[70-71]。
不同植物根毛生长发育过程中生长素和乙烯的作用
位置不同或许与试材不同等有关,因为不同植物根
毛发育方式有差别,且调控根毛发育的基因及其表
达亦有差异。
值得注意的是,在植物根毛发育研究中曾有人
提出“乙烯中心”假说,即土壤环境、生长调节剂、
矿质养分等能影响根系生毛细胞中乙烯的浓度,进
而调控根毛的生长发育[89]。如生长素、茉莉酸、独
脚金内酯以及磷胁迫等因子对根毛生长发育的影响
是通过乙烯途径作用的,同时从细胞学角度证实了
乙烯提高根毛密度的机理是提高生毛细胞最终凸起
成 根 毛 的 比 例 和 更 多 异 位 根 毛 的 产
生[29-30,62,72,75-76]。这些相互矛盾的结果不仅说明
乙烯和生长素等激素对植物根毛生长发育的调控较
为复杂,而且还受其它因素的影响(图1)。当遇到
逆境时(如磷胁迫、干旱等),植物为了规避风险,通
过改变生长素合成运输和乙烯合成来打破其体内生
长素和乙烯的平衡,从而触发根作出反应以保证根
生长的可塑性。笔者认为,生长素和乙烯在植物体
内的平衡状态可能对其根毛的生长发育起着重要作
用。此外,不同种类植物可能对不同激素种类反应
不同,因而所得到的根毛生长发育结果不同。即使
是同一种植物,应用同一种激素,不同浓度其结果也
608
3期 张德建,等:矿质养分和激素对根毛生长发育的影响及作用机制
不相同,如1μmol/L的IBA促进枳根毛生长发育效
果最佳,较高或较低浓度的 IBA的效果都不显著甚
至相反[10]。这从一个侧面再次说明植物体内生长
素和乙烯等激素的平衡对其根毛的生长发育起着重
要作用。
图1 矿质养分和植物激素调控根毛生长发育模式图
Fig.1 Themodelofmineralnutrientsandphytohormonesregulatingroothairsdevelopment
[注(Note):“→”—正调控Positiveregulation;“—|”—负调控Negativeregulation.]
参 考 文 献:
[1] PetersonRL,FarquharML.Roothairs:specializedtubularcels
extendingrootsurfaces[J].BotanicalReview,1996,62(1):1-
40
[2] ZhuJ,KaepplerSM,LynchJP.MappingofQTLcontrolingroot
hairlengthinmaize(ZeamaysL.)underphosphorusdeficiency
[J].PlantandSoil,2005,270:299-310
[3] 曹秀,夏仁学,张德健,等.水培条件下营养元素对枳幼苗根
毛发育及根生长的影响[J].应用生态学报,2013,24(6):
1525-1530.
CaoX,XiaRX,ZhangDJ,etal.Efectsofnutrientonroothair
developmentand rootgrowth ofPoncirus trifoliate under
hydroponicscondition[J].ChineseJournalofAppliedEcology,
2013,24(6):1525-1530
[4] 曹秀.矿质养分对枳(PoncirustrifoliateL.Raf)根毛生长发育
的影响及其与丛枝菌根形成的关系[D].武汉:华中农业大
学博士学位论文,2015
CaoX.Efectsofmineralnutrientsonroothairdevelopmentand
arbuscularmycorhizalsystemestablishmentinPoncirustrifoliate
L.Raf[D].Wuhan:PhDDissertationofHuazhongAgricultural
University,2015
[5] CaoX,ChenCL,ZhangDJ,etal.Influenceofnutrient
deficiencyonrootarchitectureandroothairmorphologyoftrifoliate
orange(PoncirustrifoliateL.Raf.)seedlingsundersandculture
[J].ScientiaHorticulturae,2013,162:100-105
[6] ZuchiS,CescoS,GotardiS,etal.Theroothairlessbarley
mutantbrbusedasmodelforassessmentofroleofroothairsiniron
accumulation[J].PlantPhysiologyandBiochemistry,2011,49:
506-512
[7] NatsukiT,MarikoK,RieT,etal.Characteristicsofaroothair
lesslineofArabidopsisthalianaunderphysiologicalstresses[J].
JournalofExperimentalBotany,2014,65(6):1497-1512
[8] GilroyS,JonesD L.Throughform tofunction:roothair
developmentandnutrientuptake[J].TrendsinPlantScience,
2000,5(2):56-60
[9] 张德健,夏仁学,曹秀,等.生长调节剂和基质对枳根毛发育的
影响[J].应用生态学报,2011,22(6):1437-1442.
ZhangDJ,XiaRX,CaoX,etal.Efectsofgrowthregulators
andgrowthmediaonroothairdevelopmentofPoncirustrifoliate
[J].ChineseJournalofAppliedEcology,2011,22(6):1437-
1442
[10] ZhangDJ,XiaRX,CaoX,etal.Roothairdevelopmentof
Poncirustrifoliategrownindiferentgrowthculturesandtreated
with 3indolebutyric acid and ethephon[J]. Scientia
Horticulturae,2013,160:389-397
[11] LeeRDW,ChoHT.Auxin,theorganizerofthehormonal/
environmentalsignalsforroothairgrowth[J].FrontiersinPlant
Science,2013,4(20):448
708
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 22卷
[12] VandammeE,RenkensM,PypersP,etal.RoothairsexplainP
uptakeeficiencyofsoybeangenotypesgrowninaP-deficient
Feralsol[J].PlantandSoil,2013,369(1-2):269-282
[13] FordeBG.Localandlongrangesignalingpathwaysregulating
plantresponsestonitrate[J].AnnualReviewofPlantBiology,
2002,53:203-224
[14] RobinsonD,RorisonIH.Roothairsandplantgrowthatlow
nitrogenavailabilities[J].NewPhytologist,1987,107:681
-693
[15] LauterFR,NinnemannO,BucherM,etal.Preferentialexpression
ofan ammonium transporterand oftwo putative nitrate
transportersinroothairsoftomato[J].Proceedingsofthe
NationalAcademyofSciencesofUSA,1996,93:813-8144
[16] 朱昌华.茉莉酸类和乙烯在拟南芥根毛发育过程中的相互作
用[D].南京:南京农业大学博士学位论文,2009.
ZhuCH.Interactionsbetweenjasmonatesandethyleneinthe
regulationofroothairdevelopmentinArabidopsis[D].Nanjing:
PhDDissertation,NanjingAgriculturalUniversity,2006
[17] YangN,ZhuC,GanL,etal.Ammoniumstimulatedroothair
branchingisenhancedbymethyljasmonateandsuppressedby
ethyleneinArabidopsisthaliana[J].JournalofPlantBiology,
2011,54:92-100
[18] BlochD,MonshausenG,SingerM,etal.Nitrogensource
interactswithROPsignalinginroothairtipgrowth[J].Plant
CelandEnvironment,2011,34:76-88
[19] DariaB,GabrieleM,SimonG,etal.Coregulationofroothair
tipgrowthbyROPGTPasesandnitrogensourcemodulatedpH
fluctuations[J].PlantSignaling&Behavior,2011,6(3):426
-429
[20] BaiL,MaX,ZhangG,etal.Areceptorlikekinasemediates
ammoniumhomeostasisandisimportantforthepolargrowthof
roothairsinArabidopsis[J].PlantCel,2014,26(4):1497
-1511
[21] WangL,LiaoH,YanXL.Geneticvariationinroothairsas
regulatedbyphosphorusstatusinsoybean[J].PlantandSoil,
2004,261:77-84
[22] MaZ,BielenbergD,BrownK,etal.Regulationofroothair
densitybyphosphorusavailabilityinArabidopsisthaliana[J].
Plant,CelandEnvironment,2001,24:459-467
[23] SchmidtW,SchikoraA.Diferentpathwaysareinvolvedin
phosphateandironstressinducedalterationsofrootepidermal
celdevelopment[J].PlantPhysiology,2001,125:2078
-2084
[24] PeretB,ClementM,NussaumeL,etal.Rootdevelopmental
adaptationtophosphatestarvation:betersafethansory[J].
TrendsinPlantScience,2011,16:442-450
[25] BatesTR,LynchJP.Stimulationofroothairelongationin
Arabidopsisthalianabylowphosphorusavailability[J].Plant,
CelandEnvironment,1996,19:529-538
[26] MulerM,SchmidtW.EnvironmentalyinducedPlasticityofroot
hairdevelopmentinArabidopsis[J].PlantPhysiology,2004,
134(1):409-419
[27] GahooniaTS,NielsenNE,LyshedeOB.Phosphorus(P)
acquisitionofcerealcultivarsinthefieldatthreelevelsofP
fertilization[J].PlantandSoil,1999,211:269-281
[28] HereraEstrelaL,LopezBucioJ,Grierson C. Molecular
characterizationoftheefectsofphosphorusonthedevelopmentof
roothairsinArabidopsis[M].SpringerNetherlands,2001:20-
21
[29] BorchK,BoumaTJ,LynchJP,etal.Ethylene:aregulatorof
rootarchitecturalresponsestosoilphosphorusavailability[J].
Plant,CelandEnvironment,1999,22:425-431
[30] ZhangYJ,LynchJP,BrownKM.Ethyleneandphosphorus
availabilityhaveinteractingyetdistinctefectsonroothair
development[J].JournalofExperimentalBotany,2003,54:
2351-2361
[31] MayzlishGatiE, DeCuyperC, Goormachtig S, etal.
Strigolactonesareinvolvedinrootresponsetolowphosphate
conditionsinArabidopsis[J].PlantPhysiology,2012,160(3):
1329-1341
[32] GassmannW,SchroederJI.InwardrectifyingK+ channelsin
roothairsofwheat:Amechanismforaluminumsensitivelow
afinityK+ uptakeandmembranepotentialcontrol[J].Plant
Physiology,1994,105:1399-1408
[33] 何伟,杨中义,张发明,等.低钾胁迫下不同烤烟品种根系
生长和根毛形态的差异[J].中国烟草学报,2010,16(3):43
-48.
HeW,YangZY,ZhangFM,etal.Studyonrootgrowthand
roothairmorphologyindiferentfluecuredtobaccovarieties
underlowpotassiumstress[J].ActaTabacariaSinica,2010,16
(3):43-48
[34] 丁沃娜.水稻根毛发育调控基因OsRHL1的克隆及功能研究
[D].杭州:浙江大学博士学位论文,2009.
DingWN.CloningandfunctionalanalysisofOsRHL1controling
roothairdevelopmentinrice(Oryzasativa)[D].Hangzhou:
PhDDissertation,ZhejiangUniversity,2009
[35] DesbrossesG,JosefssonC,RigasS,etal.AKT1andTRH1are
requiredduringroothairelongationinArabidopsis[J].Journalof
ExperimentalBotany,2003,54,781-788
[36] RigasS,DebrossesG,HaralampidisK,etal.TRH1encodesa
potassiumtransporterrequiredfortipgrowthinArabidopsisroot
hairs[J].PlantCel,2001,13,139-151
[37] RigasS,DitengouFA,LjungK,etal.Rootgravitropismand
roothairdevelopmentconstitutecoupleddevelopmentalresponses
regulatedbyauxinhomeostasisintheArabidopsisrootapex[J].
NewPhytologist,2013,197(4):1130-1141
[38] 牛耀芳.大气CO2浓度升高对拟南芥根毛发育与养分吸收
的影响及根系对养分的响应机理[D].杭州:浙江大学博士
学位论文,2013.
NiuY F.Efectofelevatedcarbondioxideonroothair
developmentandnutrientuptakeandtheresponsemechanismsof
rootgrowthtonutrientsupplyinArabidopsisthaliana[D].
Hangzhou:PhDDissertation,ZhejiangUniversity,2013
[39] 邢树平,李兴国,张宪省,等.Ca2+对小麦种根及其根毛生
808
3期 张德建,等:矿质养分和激素对根毛生长发育的影响及作用机制
长发育的影响[J].植物学通报,1998,15(2):41-45.
XingSP,LiXG,ZhangXS,etal.Efectsofcalciumon
growthanddevelopmentofseedrootandroothairinWheat[J].
ChineseBuletinofBotany,1998,15(2):41-45
[40] WymerCL,BibikovaTN,GilroyS.Cytoplasmicfreecalcium
distributionsduringthedevelopmentofroothairsofArabidopsis
thaliana[J].PlantJournal,1997,12:427-439
[41] PeiZM,MurataY,BenningG,etal.Calcium channels
activatedbyhydrogenperoxidemediateabscisicacidsignalingin
guardcels[J].Nature,2000,406(6797):731-734
[42] SchiefelbeinJW,ShipleyA,RowseP.Calciuminfluxatthetip
ofgrowingroothaircelsofArabidopsisthaliana[J].Planta,
1992,187:455-459
[43] KatoM,AoyamaT,MaeshimaM.TheCa2+ bindingprotein
PCaP2locatedontheplasmamembraneisinvolvedinroothair
developmentasapossiblesignaltransducer[J].PlantJournal,
2013,74(4):690-700
[44] ShinLJ,LinYH,FengTY,etal.EctopicferedoxinIprotein
promotesroothairgrowththroughinductionofreactiveoxygen
speciesinArabidopsisthaliana[J].JournalofPlantPhysiology,
2011,168(5):434-440
[45] KalaipandianS,ChandrikaN,N D WolfgangS.PFT1,a
transcriptionalMediatorcomplexsubunit,controlsroothair
diferentiationthroughreactiveoxygenspecies(ROS)distribution
inArabidopsis[J].NewPhytologist,2013,197(1):151-161
[46] NestlerJ,LiuS,WenTJ,etal.Roothairles5,whichfunctions
inmaize(ZeamaysL.)roothairinitiationandelongation
encodesamonocotspecificNADPHoxidase[J].PlantJournal,
2014,79(5):729-740
[47] LinCY,HuangLY,ChiW C,etal.Pathwaysinvolvedin
vanadateinduced roothairformation in Arabidopsis[J].
PhysiologiaPlantarum,2015,153(1):137-148
[48] MoederW,BaryCS,TauriainenAA,etal.Ethylenesynthesis
regulated by biphasic induction of1aminocyclopropane1
carboxylicacidsynthaseand1aminocyclopropane1carboxylic
acidoxidasegenesisrequiredforhydrogenperoxideaccumulation
andceldeathinozoneexposedtomato[J].PlantPhysiology,
2002,130(4):1918-1926
[49] PitsRJ,CernacA,EsteleM.Auxinandethylenepromoteroot
hairelongationinArabidopsis[J].PlantJournal,1998,16:553
-560
[50] MasucciJD,SchiefelbeinJW.Hormonesactdownstreamof
TTGandGL2topromoteroothairoutgrowthduringepidermis
developmentintheArabidopsisroot[J].PlantCel,1996,8:
1505-1517
[51] NiuYF,JinCW,JinGL,etal.Auxinmodulatesthe
enhanceddevelopmentofroothairsinArabidopsisthaliana(L.)
underelevatedCO2[J].PlantCelandEnvironment,2011,34
(8):1304-1317
[52] ChoM,LeeSH,ChoHT.Pglycoprotein4displaysauxineflux
transporterlikeactioninArabidopsisroothaircelsandtobacco
cels[J].PlantCel,2007,19:3930-3943
[53] LeeSH,ChoHT.Auxinandroothairmorphogenesis[J].
PlantCelMonographs,2009,12:45-64
[54] JonesAR,KramerEM,KnoxK,etal.Auxintransportthrough
nonhaircelssustainsroothairdevelopment[J].NatureCel
Biology,2008,11:78-84
[55] DeRybelB,AudenaertD,XuanW,etal.Arolefortheroot
capinrootbranchingrevealedbythenonauxinprobenaxilin
[J].NatureChemicalBiology,2012,8:798-805
[56] ChoM,LeeOR,GangulyA,etal.Auxinsignaling:shortand
long[J].JournalofPlantBiology,2007,50:79-89
[57] StraderLC,BartelB.TheArabidopsisPLEIOTROPICDRUG
RESISTANCE8/ABCG36 ATP binding cassete transporter
modulatessensitivitytotheauxinprecursorindole3butyricacid
[J].PlantCel,2009,21:1992-2007
[58] GangulyA,LeeSH,ChoM etal.Diferentialauxin
transportingactivitiesofPINFORMEDproteinsinArabidopsis
roothaircels[J].PlantPhysiology,2010,153(3):1046
-1061
[59] DelbareA,MulerP,Imhof V,etal. Comparison of
mechanismscontrolinguptakeand accumulation of2,4
dichlorophenoxyaceticacid,naphthalene1aceticacid,and
indole3aceticacidinsuspensionculturedtobaccocels[J].
Planta,1996,198:532-541
[60] MarchantA,KargulJ,MayST,etal.AUX1regulatesroot
gravitropisminArabidopsisbyfacilitatingauxinuptakewithinroot
apicaltissues[J].EMBOJournal,1999,18:2066-2073
[61] MasucciJD,SchiefelbeinJW.Therhd6mutationofArabidopsis
thalianaaltersroothairinitiation through an Auxinand
Ethyleneassociatedprocess[J].PlantPhysiology,1994,106:
1335-1346
[62] TanimotoM,RobertsK,DolanL.Ethyleneisapositive
regulatorofroothairdevelopmentinArabidopsisthaliana[J].
PlantJournal,1995,8:943-948
[63] DolanL.TheroleofethyleneinroothairgrowthinArabidopsis
[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,2001,164:
141-145
[64] MudayGK,RahmanA,BinderBM.Auxinandethylene:
colaboratorsorcompetitors[J].TrendsinPlantScience,2012,
17:181-195
[65] RahmanA,HosokawaS,OonoY,etal.Auxinandethylene
responseinteractionsduringArabidopsisroothairdevelopment
dissectedbyauxininfluxmodulators[J].PlantPhysiology,
2002,130:1908-1917
[66] BruexA,Kainkaryam RM,WieckowskiY,etal.Agene
regulatorynetworkforrootepidermiscel diferentiationin
Arabidopsis[J].PLoSGenetics,2012,8:e1002446
[67] KapulnikY,ResnickN,MayzlishGatiE,etal.Strigolactones
interactwithethyleneandauxininregulatingroothairelongation
inArabidopsis[J].JournalofExperimentalBotany,2011,62:
2915-2924
[68] TakahashiH,KawaharaA,InoueY.Ethylenepromotesthe
inductionbyauxinofthecorticalmicrotubulerandomization
908
植 物 营 养 与 肥 料 学 报 22卷
requiredforlowpHinduced roothairinitiation in letuce
(LactucasativaL.)seedlings[J].PlantandCelPhysiology,
2003,44:932-940
[69] RǔiˇckaK,LjungK,VannesteS,etal.Ethyleneregulatesroot
growththroughefectsonauxinbiosynthesisandtransport
dependentauxindistribution[J].PlantCel,2007,19:2197
-2212
[70] SwarupR,PeryP,HagenbeekD,etal.Ethyleneupregulates
auxinbiosynthesisinArabidopsisseedlingstoenhanceinhibition
ofrootcelelongation[J].PlantCel,2007,19:2186-2196
[71] StraderLC,ChenGL,BartelB.Ethylenedirectsauxinto
controlrootcelexpansion[J].PlantJournal,2010,64:874
-884
[72] ZhuC,GanL,ShenZ,etal.Interactionsbetweenjasmonates
andethyleneintheregulationofroothairdevelopmentin
Arabidopsis[J].JournalofExperimentalBotany,2006,57:
1299-1308
[73] HentrichM,BütcherC,DüchtingP,etal.Thejasmonicacid
signalingpathwayislinkedtoauxinhomeostasisthroughthe
modulationofYUCCA8andYUCCA9geneexpression[J].Plant
Journal,2013,74:626-637
[74] TiryakiI,StaswickPE.AnArabidopsismutantdefectivein
jasmonateresponseisalelictotheauxinsignalingmutantaxr1
[J].PlantPhysiology,2002,130:887-894
[75] KapulnikY,DelauxPM,ResnickN,etal.Strigolactonesafect
lateralrootformationandroothairelongationinArabidopsis[J].
Planta,2011,233:209-216
[76] KoltaiH.Strigolactonesareregulatorsofrootdevelopment[J].
NewPhytologist,2011,190,545-549
[77] MayzlishGatiE, DeCuyperC, Goormachtig S, etal.
Strigolactonesareinvolvedinrootresponsetolowphosphate
conditionsinArabidopsis[J].PlantPhysiology,2012,160:
1329-1341
[78] KimH,ParkPJ,HwangHJ,etal.Brassinosteroidsignals
controlexpressionoftheAXR3/IAA17geneinthecrosstalkpoint
withauxininrootdevelopment[J].BioscienceBiotechnologyand
Biochemistry,2006,70:768-773
[79] HardtkeCS,DorceyE,OsmontKS,etal.Phytohormone
colaboration:zoominginonauxinbrassinosteroidinteractions
[J].TrendsinCelBiology,2007,17:485-492
[80] 王凤茹,时翠平,董金皋.油菜素内酯对拟南芥和水稻根毛
发育的影响[J].河北农业大学学报,2010,6:105-109.
WangFR,ShiCP,DongJB.Theresponseofroothairon
brassinosteroidsin Arabidopsisand rice[J]. Journalof
AgriculturalUniversityofHebei,2010,6:105-109
[81] GonzálezMendozaV,ZuritaSilvaA,SánchezCalderónL,et
al.APSR1,anovelgenerequiredformeristemmaintenance,is
negativelyregulatedbylowphosphateavailability[J].Plant
Science,2013,205:2-12
[82] VicenteAguloF,RigasS,DesbrossesGetal.Potassiumcarier
TRH1isrequiredforauxintransportinArabidopsisroots[J].
PlantJournal,2004,40:523-535
[83] WuQS,SrivastavaAK,ZouYN.AMF-inducedtoleranceto
droughtstressincitrus:Areview[J].ScientiaHorticulturae,
2013,164:77-87
[84] NiQD,ZouYN,WuQS,etal.Increasedtoleranceofcitrus
(Citrustangerina)seedlingstosoilwaterdeficitaftermycorhizal
inoculation:changesinantioxidantenzymedefensesystem[J].
NotulaeBotanicaeHortiAgrobotanici,2013,41(2):524-529
[85] BrownLK,GeorgeTS,DupuyLX,etal.Aconceptualmodel
ofroothairideotypesforfutureagriculturalenvironments:what
combinationoftraitsshouldbetargetedtocopewithlimitedP
availability?[J].AnnalsofBotany,2013,112(2):317
-330
[86] LiT,LinG,ZhangX,etal.Relativeimportanceofan
arbuscularmycorhizalfungus(Rhizophagusintraradices)and
roothairsinplantdroughttolerance[J].Mycorhiza,2014,24
(8):1-8
[87] LanP,LiW,SchmidtW.Genomewidecoexpressionanalysis
predictsproteinkinasesasimportantregulatorsofphosphate
deficiencyinducedroothairremodelinginArabidopsis[J].BMC
genomics,2013,14(1):210
[88] 朱先灿,宋凤斌.丛枝菌根共生的信号转导及其相关基因
[J].生命科学研究,2008,12(2):95-99.
ZhuX C,SongFB.SignalingandgenesinArbuscular
Mycorhizalsymbiosis[J].LifeScienceResearch,2008,12
(2):95-99
[89] MichaelG.Thecontrolofroothairformation:suggested
mechanisms[J].JournalofPlantNutritionandSoilScience,
2001,164:111-119
018