植物的向重力性反應及其機理概述

崔大勇 吳姝鴿 徐麗娜

(1 齊魯師范學院生命科學學院 濟南 250200; 2 聊城大學生命科學學院 聊城 252000; 3 山東省乳山市教研中心 威海 264500)

由于相對固著生活的特性，植物適應于相對復雜多變的外界環境，發展出了感知某些環境因子的變化并對自身器官的生長方向做出有效的調整的能力。植物器官的這種受到外界因子的刺激而發生定向運動的特性稱為向性(tropism)。例如，植物的器官能向著光、水分、礦物質的方向生長，表現為向光性、向水性和向化性。重力作用于地球上所有物體，指向地心。植物能以重力指引生長方向，這種特性即向重力性(gravitropism)。植物的根向著地心引力的方向生長，表現為正向重力性，以便固著植物體和吸收所需的水分和礦物質；而莖則背離地心引力而向上生長，表現為負向重力性，以利于地上器官吸收光和二氧化碳，進行光合反應。為便于研究，植物的向重力性過程可劃分為三個階段：重力信號的感受、重力信號的轉導和響應器官的彎曲生長。

1 重力信號的感受

早期的研究發現，切除植物的根冠會導致植物根的橫向生長，即植物丟失了向重力性反應的能力，從而證明根冠是感受重力最主要的部位[1]。隨著科技的發展，研究人員利用激光消融術、基因敲除技術和重離子束輻照技術進一步將重力信號的感受部位定位于根冠中的柱狀細胞(columella cell)[2]。近來更有研究顯示，植物地上器官的感受部位是下胚軸和莖的內皮層細胞(endodermis cell)[3]。這些細胞內含有大量的淀粉體(amyloplast)，由于其比重比細胞質大，會有規律地沉降到細胞的底部。這些特定細胞內的淀粉體被認為是重力的感受器，在植物體內發揮著平衡石(statolith)的作用。當植物器官受到重力刺激時，淀粉體會發生位移，從而將物理信號轉換為生物學信號。這就是受到人們普遍認可的淀粉—平衡石假說(starch-statolith hypothesis)。這一假說已經得到一系列實驗的證明：植物根和花莖受到重力的90°旋轉刺激，這些淀粉體會很快發生沉降，重新定位于細胞的新底部；通過高梯度磁場產生的有質驅動使根冠柱狀細胞的淀粉體位置發生改變，從細胞的底側移到細胞側壁附近，植物的根響應這一刺激，引起彎曲反應；體內缺乏淀粉體的擬南芥突變體pgm，根和花莖的向重力性彎曲受到明顯抑制；而一些擬南芥基因發生突變引起感受細胞內的淀粉體沉降速度降低，造成花莖的向重力性反應缺陷。另外，有研究表明植物體內的由肌動蛋白絲等組成的細胞骨架、小液泡和管狀內質網參與了淀粉體介導的重力信號感受這一過程[4]。

盡管淀粉—平衡石假說得到了普遍支持，但仍有一些實驗現象用淀粉—平衡石假說解釋不了：首先，上面所說的激光消融實驗顯示，去除根冠的植物根在一定程度上仍具有向重力方向彎曲的能力；其次，缺乏淀粉體的擬南芥突變體pgm-1的根雖然表現一定的向重力性缺陷，但延長重力刺激時間，仍然能夠發生一定的彎曲，因此推測可能還存在另外的感受機制。正如系列研究所證明的，植物的原生質體也能感受重力刺激[5]，而且有人據此提出了原生質體假說。該假說認為細胞中的原生質體在重力場上的取向發生改變時，原生質體的上部的細胞膜和細胞壁之間的張力增強，這種張力的改變通過細胞膜和細胞壁與細胞骨架之間特異的區域，傳遞到細胞膜上進而改變細胞膜的張力，活化離子通道，最終引起植物器官的向重力性彎曲[5]。

另外，人們還提出植物通過配體—受體模型方式來感受重力的變化。由此看來，大多數研究結果支持植物主要通過淀粉體感受重力信號，而其他感受途徑也可能參與其中，但它們如何協同作用仍需進一步揭示。

2 重力信號的轉導

植物通過淀粉體的移動感受重力信號，經過細胞骨架，激活與之相連的離子通道。實驗表明，主要是鈣離子通道參與了這一過程。例如，植物受到重力的作用后，鈣離子通道激活，細胞內Ca2+濃度瞬間增加[6]；人為使用鈣離子類似物可以增強植物根和下胚軸的向重力性反應，而使用鈣離子抑制劑則會降低植物的向重力性反應[7]；Ca2+的下游信號分子——鈣調蛋白(calmodulin，CaM)和鈣結合蛋白也參與了重力信號的轉導過程[8]。以上研究表明鈣離子作為重要的第二信使分子介導植物的重力信號轉導過程。此外，另一個第二信使分子1,4,5-三磷酸肌醇(InsP3)也參與了植物的向重力性反應。玉米和燕麥葉枕在受到重力刺激后的極短時間內，InsP3合成酶活性增加，引起InsP3的濃度急劇增加。擬南芥5pt13突變體中的InsP3降解酶5PTase13失活，導致InsP3含量增加，根的向重力性反應增強。外源施加InsP3合成抑制劑，則會降低擬南芥根中InsP3的含量，從而減弱根的向重力性反應。

除了Ca2+和InsP3外，活性氧、一氧化氮(NO)和pH值也會影響植物的重力信號轉導過程：當用重力單側刺激垂直生長的玉米的根時，內皮層的凸面活性氧的濃度瞬間增大，進而引起根的彎曲生長；共聚焦顯微鏡觀察發現，水平放置的大豆根中NO集中在根的下側，通過激活環磷酸鳥苷導致器官產生彎曲，而當用抑制劑抑制NO合酶時，NO的積累量顯著降低，根尖的向重力性彎曲程度也隨之降低；在受到重力的刺激后，擬南芥根冠細胞與玉米的葉枕細胞中的pH值增加。

植物通過上述信號分子將重力信號傳遞給重要的生長調節物質植物激素，由后者介導植物的向重力性彎曲反應。相關研究顯示，生長素、乙烯、赤霉素、油菜素內酯和獨腳金內酯均參與其中，但生長素在該過程中起著主導作用。

早在20世紀初期，Cholodny和Went[9]就提出向性刺激，包括重力和單側光，誘導了生長素向著植物器官的下側運輸。較高濃度的生長素促進莖而抑制根的細胞伸長，生長素濃度梯度對應地促進了莖的向上和根的向下彎曲生長[9]。目前的研究表明，植物通過細胞膜上的運輸載體AUX1/LAX蛋白、PIN家族蛋白以及ABCB家族蛋白協同調控生長素在植物體內的運輸。

AUX1/LAX蛋白是生長素的輸入載體，主要定位在植物的細胞膜上，將細胞外的生長素運輸到胞內。如果AUX1/LAX蛋白功能缺失，植物根中生長素的運輸受到影響，其向重力性彎曲能力明顯降低。

PIN家族蛋白是一類非常重要的生長素輸出載體。擬南芥含有8個PIN蛋白，PIN1、PIN2、PIN3、PIN4和PIN7的功能已經明確，介導了生長素的在器官中極性運輸，其中PIN2、PIN3和PIN7直接參與重力刺激器官中的生長素不對稱梯度的形成，而PIN5、PIN6和PIN8可能參與了生長素在細胞內分布的調控。PIN1分布在中柱薄壁細胞中，將莖尖合成的生長素向下運輸到根尖柱狀細胞附近，形成最大的生長素濃度。PIN3和PIN7非極性地定位于中柱細胞的質膜上，可以將根尖處的生長素向周圍組織運輸。PIN2定位于根的皮層細胞或表皮細胞的頂端，將根尖的生長素沿根表面向上運輸到根的伸長區細胞。植物的根受到重力刺激后，PIN3和PIN7的定位發生改變，極性分布到新的重力方向的底部質膜上，使生長素向根的近地側運輸。在PIN2的協助下，在伸長區形成更高濃度的生長素，抑制了近地側的根生長，導致根的向重力性彎曲。pin2,pin3和pin7擬南芥突變體的根均表現出重力反應減弱的表型。在擬南芥莖中，PIN3定位于內皮層細胞。當受到重力刺激后，如同在根中，它特異性地定位于近地側的細胞膜上，增加了向下的生長素運輸，促進此處組織的伸長，導致莖的負向重力性彎曲生長。

綜上所述，植物受到重力刺激后，通過調控生長素輸出載體在細胞膜上的極性定位，在重力的效應部位形成了一個不對稱性的濃度梯度，介導了植物器官的向重力性彎曲生長。

3 重力反應器官的彎曲生長

目前人們對植物向重力性的研究主要集中在重力信號的感受與包括彎曲部位生長素不對稱梯度形成在內的信號轉導途徑，對生長素的不對稱分布如何促進彎曲生長還知之不多。從生物物理學的角度看，植物細胞是一個被加壓的、內含流動液體的囊泡，且被一層相對堅硬的細胞壁所限定從而維持一定的形狀。細胞要生長而擴大體積，必須松弛它的細胞壁，同時吸收水分和溶質分子來填充囊腔和維持一定的膨壓。研究發現，在受重力刺激的水稻葉枕(葉鞘基部)檢測到細胞壁松弛酶木葡聚糖內切酶(OsXET)以及擴展素(OsEXPA4)編碼基因的差異表達，近地側具有更高的mRNA轉錄，施加生長素極性運輸抑制劑，抑制了基因差異表達和葉鞘的向重力性彎曲[10,11]。同樣，人們在受重力刺激的玉米葉枕中也檢測到包括上述兩種細胞壁松弛酶在內的編碼基因差異表達[12]。此外，在重力刺激的近地側水稻葉枕檢測到更低的滲透勢，這說明在此部位存在更低的水勢，促使水分向此運輸[10]。與之相一致，此處的水分運輸通道蛋白水孔蛋白(aquaporin)的表達明顯升高，施加水孔蛋白抑制劑能顯著降低水稻葉鞘的向重性彎曲[10]。同時，在重力刺激的近地側水稻葉枕檢測到增加的糖基化多肽OsRGP1和蔗糖合成酶OsSuS表達與可溶性己糖濃度的升高[13]。上述結果初步揭示了不對稱性的生長素分布可能導致了彎曲部位的不對稱的細胞壁松弛、水分和溶質分子的運輸，繼而促進了不對稱性的彎曲生長。

4 向重力性與其他向性的互作

除重力指引植物根和莖的生長方向以外，還有許多環境因子影響植物器官的生長方向，如營養物質、光線、溫度、水、病原菌和礦物質等。它們與重力相互作用，共同調控植物的生長與發育。

植物的地上器官向著光源生長，以便更好地吸收光用以進行光合作用，表現為正向光性；而根則背離光源生長，表現為負向光性。植物的向重力性與向光性緊密關聯，交互作用，正常生長條件下，很難區分這兩個生物學過程。但人們利用微重力環境或重力感受缺陷突變體，可以獨立地研究植物的向光性。植物的重力與光的感受機理截然不同，但在信號的下游一致，形成了生長素的不對稱性分布，繼而引起彎曲生長[14]。植物的根具有避鹽性(halotropism)，以逃離高鹽的毒害。后續研究揭示根感受鹽濃度，同樣在根的兩側通過形成不同生長素濃度梯度，克服向重力性，使它產生彎曲反應[15]。水分脅迫與隨之引發的擬南芥根的向水性反應通常伴有柱狀細胞內淀粉體的降解及減少的向重力性反應[16]，這就說明水分可以影響植物根對重力的感受而改變植物的向重力運動。但植物的向水性不依賴于根冠的淀粉體，其信號轉導也與上述向性不同，它依賴的植物激素是脫落酸(abscisic acid)和細胞分裂素(cytokinin)而不是生長素[16]。其他植物向性，如向觸性(thigmotropism)，也與向重力性發生相互作用。

5 小結

早在1806年，人們就認識到植物的向重力性。隨著科學技術的進步，尤其是最近分子生物學技術的迅速發展，極大地加快了向重力性機理的研究進程，對植物重力的感受、重力信號的轉導和生長素的不對稱分布等方面都有了一定的了解。然而，相對整個的向重力性機理來說，仍有許多未解之謎。例如，植物體是如何將淀粉體位移所產生的物理信號轉化為生理學信號？植物體內存在幾條重力信號轉導途徑？不對稱的生長素究竟是怎么參與植物的向重力性反應？向重力性與其他向性如何相互作用、協同調控植物器官的生長方向？生理、生化、遺傳學、分子生物學、結構和功能基因組、結構生物學以及空間生物學等科學技術上的進步，必將推動對包括重力在內的眾多環境因子調控植物生長反應分子機理的研究，最終為我們描繪一張完整的藍圖。

(基金項目：國家自然科學基金項目：擬南芥CLS介導的高溫響應和地上器官發育的分子機制研究，No.31471160;CUFs調控葉卷曲和花莖向重性彎曲的分子機理研究,No.30971560)