細胞分裂素研究進展及其在作物生產中的應用

樊 彪，趙江哲

(浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004)

細胞分裂素研究進展及其在作物生產中的應用

樊 彪，趙江哲*

(浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004)

細胞分裂素是植物的生長調節因子，參與植物生長發育的各個過程，對植物的形態建成和農作物產量有著重要作用。隨著對細胞分裂素合成、運輸、降解、信號轉導等過程研究的逐漸深入，其在農業生產中應用的研究也變得尤為重要。本文綜述了細胞分裂素的代謝和運輸過程，總結了其在作物生產過程中的作用，并對未來研究方向提出了展望，旨在為作物育種和激素的充分利用提供參考。

生長素； 細胞分裂素； 互作； 生長發育； 產量

植物生長發育過程中需要各種激素的協同作用，作為植物自身合成的生長調節分子，植物激素化學結構相對簡單且微量，但是有十分重要的生理功能。作為主要的植物激素，細胞分裂素參與植物生長發育的調控過程，同時與其他激素又存在著各種聯系，既相互制約，又相互促進，維持著激素水平的動態平衡，調控植物的生長發育。細胞分裂素不僅可以提高農作物的產量，也可提高農作物的抗逆性。本文根據細胞分裂素在不同組織的調控作用，對目前關于細胞分裂素的研究結果做簡要介紹。

1 細胞分裂素的代謝和運輸

1955年，Miller等[1]在鯡魚精子DNA熱壓水解產物中發現了一種可以促進植物細胞分裂與分化的物質，并將其命名為激動素。隨著研究的不斷深入，人們將這一類含有腺嘌呤結構的激素稱為細胞分裂素(cytokinin，CK)。根據取代基團的不同，細胞分裂素可以分為類異戊二烯細胞分裂素和芳香環細胞分裂素。在植物體內，細胞分裂素主要以類異戊二烯形式存在，包括反式玉米素(trans-zeatin，tZ)、二氫玉米素(dihydrozeatin，DHZ)、順式玉米素(cis-zeatin，cZ)和異戊烯腺嘌呤(isopentenyladenine)[2]。

1.1 細胞分裂素的合成

絕大多數內源細胞分裂素通過從頭合成途徑合成[3]。細胞分裂素合成途徑中的限速酶是異戊烯基轉移酶(isopentenyltransferase，IPT)。在擬南芥中共鑒定出9個IPT基因，依次為IPT1～IPT9[4]。在楊樹中過量表達AtIPT7，莖的生物量與野生植株相比增加了80%[5]。不同AtIPT基因的表達存在著時空特異性，其中，IPT1基因主要在根尖、葉腋、胚珠及未成熟的種子中表達，IPT3基因則主要在韌皮部組織中表達，IPT5基因在根原形成層以及其他一些未完全成熟的組織中有較強的表達[6]。

1.2 細胞分裂素的降解

細胞分裂素氧化酶(cytokinin oxidase/dehydrogenase，CKX)能夠不可逆地降解細胞分裂素側鏈的不飽和鍵，從而使細胞分裂素失去活性[7]。水稻產量的增加與分蘗數有著密不可分的關系，在水稻中特異性降低OsCKX2的表達量后，分蘗數及籽粒數較野生型均明顯增加[8-9]，這與外源施加細胞分裂素的表型相一致。CKX基因的表達也受到其他激素的調控，尤其是生長素，其可以通過影響CKX在根部的表達來調控根部組織的發育[10]。

1.3 細胞分裂素的轉運

細胞分裂素主要通過擴散或者主動運輸的形式轉運到靶細胞或靶組織發揮作用，已有研究表明幾種蛋白可能參與細胞分裂素的運輸。Zhang等[11]鑒定出第1個長距離轉運tZ類細胞分裂素的蛋白——AtABCG14。在atabcg14突變體中，由于tZ類細胞分裂素無法正常轉運，突變體表現出細胞分裂素缺乏的表型，包括初生根變短，蓮座葉減小，花序減少等，同位素示蹤實驗同樣證明了AtABCG14可以向細胞外轉運細胞分裂素。Ko等[12]發現AtABCG14可以轉運細胞分裂素。擬南芥嘌呤透性酶AtPUP14(ArabidopsisthalianaPurine Permease14)定位在質膜上，其突變體對細胞分裂素的響應減弱，這也造成了初生根縮短、胚胎發育異常等表型，原生質體中的PUP14具有向細胞內轉運細胞分裂素的活性，且高于PUP1。這些證據表明了PUP14參與細胞分裂素的轉運[13]。

1.4 細胞分裂素的信號轉導

隨著研究的不斷深入，發現細胞分裂素信號傳遞利用了一種類似于細菌的雙元組分系統，主要包括3個部分：首先，細胞分裂素受體與細胞分裂素結合后自磷酸化，隨后通過跨膜運輸將磷酸基團轉移到胞質中的磷酸轉移蛋白(Arabidopsishistidine-phosphotransfer protein，AHPs)，磷酸化的AHPs可以進入細胞核并將磷酸基團轉移到反應調節因子(Arabidopsisresponse regulators，ARRs)，從而誘導基因表達，調節植物生長發育[14]。

2 細胞分裂素調控植物的發育

2.1 根尖分生組織形成的調控

分生組織的生長是一個動態平衡過程，細胞分裂素可促進細胞的分裂、抑制分生組織的生長[15]。研究表明，擬南芥中SHY2編碼Aux/IAA家族基因IAA3，其在生長素和細胞分裂素的動態平衡中發揮重要作用。生長素可以通過促進SCFTIR1復合體的降解，抑制SHY2的表達，從而維持信號響應及PIN蛋白的活性，促進細胞分化；細胞分裂素則可以通過激活ARR1及ARR12的表達，促進SHY2表達[16]，抑制生長素的向外運輸，阻止細胞分化。另外，SHY2可以促進IPT5的表達，參與細胞分裂素的從頭合成過程。

靜止中心有絲分裂活性的維持需要一個高生長素/低細胞分裂素的環境，2種激素的比率會影響到靜止中心的形態建成。細胞分裂素可以抑制靜止中心細胞活性相關的基因，包括WOX5、SCR、AUX1和LAX2等基因，WOX5的表達依賴于SCR的調控，而SCR作為生長素的響應基因參與形態建成過程，可以通過生長素極性運輸對過渡區細胞ARR1的表達進行調控[17]。同時，細胞分裂素響應基因ARR1和ARR12抑制生長素向內運輸載體基因LAX2的表達，lax2突變體靜止中心的細胞分裂素與野生型相比也有所增加。這些證據證明，LAX2作為一個關鍵因子維持著靜止中心區域細胞分裂素的平衡[18]。

2.2 根部形態建成的調控

植物側根的形成是一個非常復雜的過程，在中柱鞘細胞分化為原生木質部細胞的過程中，會出現大量細胞分裂與細胞分化[19]。細胞分裂素在側根形成過程中起負調控作用，包括影響中柱鞘細胞的細胞分化，以及抑制側根原基的形態建成。在外源細胞分裂素影響下，arr3、arr4、arr5、arr6突變體的側根明顯減少[20]；與之相反，在35S:CKX1過表達材料中，側根較野生型相比明顯增加，而在細胞分裂素受體基因ahk2、ahk3突變體中，側根對于生長素的敏感性較野生型增加[21]。在側根形成初期，如果外源施加細胞分裂素，PIN的表達會因此受到抑制，生長素無法正常運輸到側根原基部位，使得側根無法正常生成[22]。側根的不同部位對于細胞分裂素的敏感度不同，導致PIN1蛋白的定位也隨之發生變化，更多生長素聚集在原基頂端，從而促進側根發育[23]。由此可見，細胞分裂素不僅能夠控制生長素的向外運輸，同時，其在植物組織形成過程中作為生長素極性運輸的開關，控制生長素流動的方向。

2.3 細胞分裂素調控花器官起始

植物地上部組織存在著1個與根部分生組織(root apical meristem，RAM)相似的結構——頂端分生組織(shoot apical meristem，SAM)。SAM的組織中心與RAM的靜止中心相類似，也是由一部分有絲分裂不活躍的細胞包裹原始干細胞形成的，SAM的細胞由細胞分裂不活躍的中心區域移入到細胞分裂活躍的外圍區域，促進地上組織的形成[24]。水稻細胞分裂素活化酶基因LOG能夠調控水稻細胞分裂素的合成，維持分生組織的活性，其突變體的枝梗數和小穗數均明顯減少，花器官也無法正常發育[25]。此外，水稻OSH1基因能夠調控IPT的表達來增加頂端分生組織細胞分裂素的含量[26]，細胞分裂素響應因子OsRRs在水稻花序形成過程中發揮重要作用[27]。由此可見，細胞分裂素在水稻花器官形成過程中有著不可替代的作用。

3 細胞分裂素在農業生產中的應用

3.1 細胞分裂素在提高作物產量中的應用

作為植物體內重要的調控因子，細胞分裂素在提高作物產量中有重要作用。OsCKX2基因突變后，水稻花序組織中的細胞分裂素會積累，激活分裂活性，從而增加其可育性，增加單位產量[9]。不同時期施加細胞分裂素可提高大麥產量，灌漿期施加細胞分裂素的效果最顯著[28]。作為玉米籽粒發育的關鍵時期，生殖生長時期直接決定著淀粉的積累狀況，外源添加細胞分裂素能夠增加玉米胚乳細胞數目，促進碳水化合物的積累，從而達到增產的目的[29]。此外，蘋果樹外源施加細胞分裂素后，蘋果體積會增大，但并不影響果實的形狀及下一年的產量，在梨樹中也得到類似的結果，表明細胞分裂素對果實發育有重要作用[30]。

3.2 細胞分裂素在作物抗逆性中的應用

細胞分裂素不僅能夠調控作物的器官形成，同時還能夠提高作物的抗逆性，延緩植物的衰老。細胞分裂素能夠直接或間接地清除氧自由基，減少脂質的過氧化作用，改變細胞膜中脂肪酸的比例[31]。與此同時，細胞分裂素還能夠增加植物葉片中葉綠素和可溶性蛋白的含量，在一定程度上延緩了植物衰老。對葉面噴施6-BA可以提高玉米幼苗的抗旱性，保持膜保護酶在干旱條件下的活性，從而維持玉米的產量[32]。

逆境條件下，作物的細胞分裂素水平會發生變化，進而影響其他激素的信號轉導過程，導致其他代謝過程的變化[33]。植物在經受干旱脅迫時，作為植物自身保護機制的途徑之一，細胞分裂素會明顯下降，脫落酸含量會明顯升高，而脫落酸能夠調控氣孔的開閉運動，從而激活植物體內的應激反應[34]。

3.3 細胞分裂素在組織培養中的應用

細胞分裂素在植物組織培養過程中發揮了重要作用，將其和生長素按一定比例添加到培養基中，會誘導愈傷組織的分化和再生。例如棉花、松樹等的組織培養中，外植體必須培養在細胞分裂素/生長素比例較高的培養基中，才能誘導芽的分化[35]。香蕉的組織培養中，細胞分裂素MT能夠提高愈傷組織的增殖效率，并且在組織內不易積累。在梅花的離體培養中發現，細胞分裂素有利于不定芽的形成[36]。知母分蘗的組織培養中，當培養基中含有合適的細胞分裂素KT時，分蘗的不定芽和不定根均有所增加，其營養物質的積累量也明顯增多[37]。

4 小結與展望

近年來，細胞分裂素的相關研究取得了重大進展。隨著細胞分裂素代謝、運輸等過程的逐漸清晰，人們對細胞分裂素在作物中的作用展現出更為濃厚的興趣：細胞分裂素是如何在整體上調控植物的形態建成？在不同的脅迫環境下，細胞分裂素又是通過哪種信號通路來實現相互調控？在不同的物種中其調控機制是否相同？隨著正向遺傳學、反向遺傳學的不斷成熟，相應突變體材料日漸豐富，相應實驗技術的不斷完善及廣泛應用，相信這些問題都會一一得到解答。

細胞分裂素作為參與植物生長發育的主要激素，在胚胎發育、根發育、分生組織發育、衰老等過程中具有重要的調控作用，上述過程均是影響產量性狀的主要決定因素。當激素水平發生變化時，植物的產量肯定會相應發生改變，如何調控相關激素的含量，以此來最大限度地提高作物產量會是下一步研究的重點。單子葉植物與雙子葉植物中細胞分裂素的作用有所差異，現在的互作研究主要集中在雙子葉植物擬南芥上，而糧食作物主要為單子葉植物，加強對水稻等農作物細胞分裂素的研究對于促進農業發展有著重要的作用。

[1] MILLER C O, SKOOG F, OKUMURA F S, et al. Isolation, structure and synthesis of kinetin, a substance promoting cell division 1, 2 [J]. Journal of the American Chemical Society, 1956 (7): 1375-1380.

[2] SAKAKIBARA H. Cytokinins: activity, biosynthesis, and translocation [J]. Annual Review of Plant Biology, 2006, 57(57): 431-449.

[3] HABERER G, KIEBER J J. Cytokinins. New insights into a classic phytohormone [J]. Plant Physiology, 2002, 128(2): 354-362.

[4] TAKEI K, SAKAKIBARA H, SUGIYAMA T. Identification of genes encoding adenylate isopentenyltransferase, a cytokinin biosynthesis enzyme, inArabidopsisthaliana[J]. Journal of Biological Chemistry, 2001, 276(28): 26405-26410.

[5] IMMANEN J, NIEMINEN K, SMOLANDER O P, et al. Cytokinin and auxin display distinct but interconnected distribution and signaling profiles to stimulate cambial activity [J]. Current Biology, 2016, 26(15): 1990-1997.

[6] MIYAWAKI K, MATSUMOTO-KITANO M, KAKIMOTO T. Expression of cytokinin biosynthetic isopentenyltransferase genes inArabidopsis: tissue specificity and regulation by auxin, cytokinin, and nitrate [J]. Plant Journal, 2004, 37(1): 128-138.

[7] SCHMüLLING T, WERNER T, RIEFLER M, et al. Structure and function of cytokinin oxidase/dehydrogenase genes of maize, rice,Arabidopsisand other species [J]. Journal of Plant Research, 2003, 116(3): 241-252.

[8] YEH S Y, CHEN H W, NG C Y, et al. Down-regulation of cytokinin oxidase 2 expression increases tiller number and improves rice yield [J]. Rice, 2015, 8(1): 36.

[9] ASHIKARI M, SAKAKIBARA H, LIN S, et al. Cytokinin oxidase regulates rice grain production [J]. Science, 2005, 309(5735): 741-745.

[10] GAO S, FANG J, XU F, et al. CYTOKININ OXIDASE/DEHYDROGENASE4 integrates cytokinin and auxin signaling to control rice crown root formation [J]. Plant Physiology, 2014, 165(3): 1035-1046.

[11] ZHANG K, NOVAK O, WEI Z, et al.ArabidopsisABCG14 protein controls the acropetal translocation of root-synthesized cytokinins [J]. Nature Communications, 2014, 5(2): 3274.

[12] KO D, KANG J, KIBA T, et al.ArabidopsisABCG14 is essential for the root-to-shoot translocation of cytokinin [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2014, 111(19): 7150-7155.

[13] ZüRCHER E, LIU J, DI D M, et al. Plant development regulated by cytokinin sinks [J]. Science, 2016, 353(6303): 1027-1030.

[14] HWANG I, SHEEN J, MüLLER B. Cytokinin signaling networks [J]. Annual Review of Plant Biology, 2012, 63(1): 353-380.

[15] BASKIN T I. Stunted plant 1 mediates effects of cytokinin, but not of auxin, on cell division and expansion in the root ofArabidopsis[J]. Plant Physiology, 2000, 124(4): 1718-1727.

[16] MOUBAYIDIN L, PERILLI S, DELLO I R, et al. The rate of cell differentiation controls theArabidopsisroot meristem growth phase [J]. Current Biology, 2010, 20(12): 1138-1143.

[17] MOUBAYIDIN L, DI M R, SOZZANI R, et al. Spatial coordination between stem cell activity and cell differentiation in the root meristem [J]. Developmental Cell, 2013, 26(4): 405-415.

[18] ZHANG W, SWARUP R, BENNETT M, et al. Cytokinin induces cell division in the quiescent center of theArabidopsisroot apical meristem [J]. Current Biology, 2013, 23(20): 1979-1989.

[19] MALAMY J E, BENFEY P N. Organization and cell differentiation in lateral roots ofArabidopsisthaliana[J]. Development, 1997, 124(1): 33.

[20] TO J P C, HABERER G, FERREIRA F J, et al. Type-AArabidopsisresponse regulators are partially redundant negative regulators of cytokinin signaling [J]. Plant Cell, 2004, 16(3): 658-671.

[21] CHANG L, RAMIREDDY E, SCHMüLLING T. Lateral root formation and growth ofArabidopsisis redundantly regulated by cytokinin metabolism and signalling genes [J]. Journal of Experimental Botany, 2013, 64(16): 5021-2032.

[22] LAPLAZE L, BENKOVA E, CASIMIRO I, et al. Cytokinins act directly on lateral root founder cells to inhibit root initiation [J]. Plant Cell, 2008, 19(12): 3889-3900.

[24] KURAKAWA T, UEDA N, MAEKAWA M, et al. Direct control of shoot meristem activity by a cytokinin-activating enzyme [J]. Nature, 2007, 445(7128): 652-655.

[25] TSUDA K, ITO Y, SATO Y, et al. Positive autoregulation of a KNOX gene is essential for shoot apical meristem maintenance in rice [J]. Plant Cell, 2011, 23(12): 4368-4381.

[26] HIROSE N, MAKITA N, KOJIMA M, et al. Overexpression of a type-A response regulator alters rice morphology and cytokinin metabolism [J]. Plant & Cell Physiology, 2007, 48(3): 523.

[27] KERSTETTER R A, HAKE S. Shoot meristem formation in vegetative development [J]. Plant Cell, 1997, 9(7): 1001-1010.

[28] POWELL A F, PALECZNY A R, OLECHOWSKI H, et al. Changes in cytokinin form and concentration in developing kernels correspond with variation in yield among field-grown barley cultivars [J]. Plant Physiology & Biochemistry, 2013, 64(5): 33-40.

[29] 李小艷, 許晅, 朱同生, 等. 細胞分裂素對玉米產量性狀的影響[J]. 中國農學通報, 2013, 29(36): 219-223.

[30] 陳潔. 細胞分裂素對植物生長發育的影響[J]. 現代園藝, 2012 (14): 14.

[31] 王三根, 梁穎. 6-BA對低溫下水稻幼苗細胞膜系統保護作用的研究[J]. 中國水稻科學, 1995, 9(4): 223-229.

[32] 周洑生, 楊明祥, 陳正福, 等. 施用5406對玉米、水稻、高粱等作物抗性和產量的影響[J]. 耕作與栽培, 1989(3): 45-47.

[33] 王三根. 細胞分裂素在植物抗逆和延衰中的作用[J]. 植物學通報, 2000, 17(2): 121-126.

[34] 李躍強. 植物體內的信息傳遞——細胞分裂素在植物水分脅迫中的信息作用[J]. 自然雜志, 1997(2): 104-108.

[35] 王冬梅, 黃學林. 細胞分裂素類物質在植物組織培養中的作用機制[J]. 植物生理學報, 1996 (5): 373-377.

[36] 房順達, 李志良, 羅萬業. 梅花的離體培養研究[J]. 安徽農學通報, 2010, 16(23): 66-67.

[37] 袁鳳英, 李秀芹, 朱孔杰. 激動素應用研究進展[J]. 廣州化工, 2015 (23): 45-46.

(責任編輯：侯春曉)

2017-03-20

浙江省自然科學基金(LQ17C020001)

樊 彪(1991—)，男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向為植物激素信號，E-mail: fbshandong@163.com。

趙江哲(1986—)，男，山東聊城人，講師，博士，研究方向為植物激素與衰老，E-mail: jzzhao@zjnu.cn。

10.16178/j.issn.0528-9017.20170836

S184

A

0528-9017(2017)08-1411-04

文獻著錄格式：樊彪，趙江哲. 細胞分裂素研究進展及其在作物生產中的應用[J].浙江農業科學，2017，58(8)：1411-1414.