生長素和細胞分裂素誘導愈傷組織生根的作用機理

林港麗 徐敬 顧家家 陳文榮

摘要 結(jié)合目前生命科學的研究進展，對愈傷組織不定根的發(fā)生過程及生長素和細胞分裂素在該過程中的相關(guān)作用機理進行探究。

關(guān)鍵詞：愈傷組，不定根，生長素，細胞分裂素，相互作用

中圖分類號Q-49文獻標志碼E

生長素和細胞分裂素在植物組培中的作用是高中生物教學的重點。浙科版高中生物《必修3·穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》的“植物激素調(diào)節(jié)”中，對細胞分裂素的作用有兩段不一致的描述：在“五大類植物激素”的表格中是“影響根的生長和分化”;而在“生長素和細胞分裂素在植物組織培養(yǎng)中的相互作用”中，認為“細胞分裂素太多，只長莖葉不長根”。為此，有不少學生感到疑惑：既然細胞分裂素可影響根的生長和分化，那愈傷組織在高濃度的細胞分裂素中為何不長根呢？因此，下面結(jié)合目前生命科學的研究進展，從愈傷組織生根的作用機理入手，探究生長素和細胞分裂素的作用，為學生這一迷思概念的解決提供參考依據(jù)。

1愈傷組織不定根的形成機理

植物的根系是由主根、側(cè)根、根毛及不定根構(gòu)成，其中不定根是在植物器官受傷或激素、病原、微生物等外界因素的刺激的作用下，出現(xiàn)在莖或葉上的根，它的發(fā)生從根原基的分化開始，表現(xiàn)為植物的再生反應。在植物組織培養(yǎng)中，愈傷組織長出的根也被稱為不定根。

不定根的發(fā)生可分為誘導階段、起始階段、模化階段和顯現(xiàn)階段4個過程，如圖1所示。誘導階段是指外植體在生長素的作用下形成愈傷組織，誘導維管原形成層和維管薄壁細胞形成根創(chuàng)始細胞。起始階段指的是根創(chuàng)始細胞經(jīng)過細胞分裂形成根原基。模化階段指的是根原基繼續(xù)分裂，并開始進行功能分區(qū)，進而形成根尖分生組織。根尖分生組織是由過渡擴增細胞（一種具有分化潛能的細胞，能夠快速分裂形成各種組織）和位于核心部位的干細胞龕構(gòu)成的。干細胞龕是集中儲存干細胞的部位，是由位于核心的靜止中心和周圍的初始細胞構(gòu)成。靜止中心自身很少分裂，但它能夠向初始細胞發(fā)出信號。當初始細胞接受信號后，在每次的細胞分裂后，都會有一個維持初始細胞屬性的細胞存在，剩下的成為過渡擴增細胞。顯現(xiàn)階段指的是根尖分生組織通過分裂分化形成根尖各部分結(jié)構(gòu)，接下來快速伸長，最終突破表皮形成不定根。

2 生長素與愈傷組織生根

2.1 生長素促進維管組織分化

生長素在不定根形成過程中的第一個階段——誘導階段中可能起到了促進維管組織分化的作用。對植株特定區(qū)域施加生長素后，該區(qū)域及其周圍的維管組織更發(fā)達，如桃硬枝插條在愈傷組織脫分化形成根的時候，內(nèi)源生長素的含量大量增多。

2.2 生長素激活轉(zhuǎn)錄因子WOXll/WOXl2基因表達

生長素可激活維管原形成層細胞和維管薄壁細胞中WOXll和WOXl2這兩種轉(zhuǎn)錄因子基因的表達。WOXll和WOXl2是WOX轉(zhuǎn)錄因子家族成員，共同參與維管原形成層及維管薄壁細胞轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶆?chuàng)始細胞的過程。此后，根創(chuàng)始細胞進入起始階段逐步形成根原基，此時WOXll和WOXl2逐漸退出表達。

2.3 生長素調(diào)控SCR基因表達

生長素能夠調(diào)控SCR基因表達，使根原基完成模化階段，形成根尖分生組織。SCR是生長素的響應基因（與根和莖端組織發(fā)育相關(guān)），能夠調(diào)控WOX5基因（干細胞龕的關(guān)鍵基因，能調(diào)控干細胞龕中靜止中心的分裂與分化）。

3 細胞分裂素與愈傷組織生根

細胞分裂素抑制根尖分生組織的分化，但促進分化以后分生組織的分裂。例如，豌豆根形成的過程中，在根原基還未形成前，其細胞分裂素水平低，而當根原基形成后，細胞分裂素水平上升，以適應細胞分裂的需要;在插條生根時，溶液中加入細胞分裂素，根原基的形成便會被阻止，而未添加細胞分裂素的溶液則能形成不定根。在模化階段，細胞分裂素對根原基分化的抑制是通過抑制與靜止中心活性有關(guān)的基因（WOX5、SCR、LAX2）實現(xiàn)的。因此，高生長素硼胞分裂素比例的環(huán)境，才能使根原基的靜止中心分裂，進而使得根原基形成根尖分生組織。

4 生長素和細胞分裂素的相互作用與愈傷組織生根

4.1 細胞分裂素抑制生長素向內(nèi)運輸

生長素和細胞分裂素在誘導愈傷組織生根的過程中相互拮抗。生長素促進根原基分化，細胞分裂素抑制根原基分化。這一過程是細胞分裂素通過基因調(diào)控，抑制生長素向內(nèi)運輸實現(xiàn)的。細胞分裂素能夠激活ARRl基因和ARR2基因。這兩個基因可抑制LAX2基因表達，其產(chǎn)物是生長素運輸?shù)鞍祝▋?nèi)向運輸型）。因此，細胞分裂素通過激活ARRl/ARR2，抑制IAX2的表達，從而抑制生長素向內(nèi)運輸，進而抑制根原基分化。

4.2 生長素抑制細胞分裂素輸出

生長素可抑制細胞分裂素的輸出，創(chuàng)設出靜止中心高生長素低細胞分裂素環(huán)境，促進根原基分化。根創(chuàng)始細胞在發(fā)育過程中經(jīng)過一次橫向分裂可形成上部子細胞和下部子細胞，其中上部子細胞為靜止中心的前體，生長素通過調(diào)節(jié)ARR7和ARRl5基因的轉(zhuǎn)錄，抑制細胞分裂素的輸出，使得上部細胞的細胞分裂素含量高，而下部子細胞生長素含量高，從而促進根原基的分化。

5研究與展望

由此，最開始的問題可以得到解決——教材中對細胞分裂素作用的表述為“影響根的生長和分化”，其中“影響”一詞在此處的意思可以解釋為在根的生長和分化中起到了作用，這種作用可以是促進，也可以是抑制。縱觀整個愈傷組織生根過程，細胞分裂素與生長素拮抗，抑制維管形成層和維管薄壁細胞的分化，但在顯現(xiàn)階段可促進分生組織的細胞分裂，幫助不定根迅速生長突出表面，形成成熟的不定根。因此，細胞分裂素抑制根的分化但促進根的生長，這一點與愈傷組織在高濃度的細胞分裂素中不生根的現(xiàn)象并不沖突。但教材中“影響”一詞的使用容易造成學生對此處的疑問，需要教師花費時間糾正學生這一迷思概念。植物激素對植物生理的作用是通過調(diào)控基因的表達而進行的，其作用是復雜且相互影響的，從1902年德國植物生理學家Haberlandt提出“細胞全能性”開始，一直到1957年Skoog和Miller發(fā)現(xiàn)低激動素（一種細胞分裂素的類似物）/生長素比例促進根的發(fā)生，此后經(jīng)過50多年的研究，愈傷組織不定根的形成過程已經(jīng)明確。然而，不定根誘導過程的分子機理目前仍有待進一步研究。