植物激素調(diào)控腋生分生組織發(fā)育的研究進展*

裴河歡，萬凌云，潘麗梅，韋樹根，龍海榮，韋 瑩，冀曉雯，付金娥**

(1.欽州市中醫(yī)醫(yī)院，欽州市中醫(yī)藥研究所，廣西欽州 535000；2.廣西壯族自治區(qū)藥用植物園，廣西南寧 530023)

0 引言

相比于動物而言，植物的獨特性在于其整個生命周期中具有不斷產(chǎn)生新器官的能力。而植物分枝的形成則是植物發(fā)育的一個標志性生長特征[1]，分枝的形狀、位置和數(shù)量影響著植物株型的多樣化及其生產(chǎn)力[2]。因此，植物分枝發(fā)育分化規(guī)律的研究，不僅是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)問題，而且對植物的實踐生產(chǎn)也具有重要指導(dǎo)意義。

植物分枝是由腋生分生組織(Axillary Meristems，AMs)分化形成的，腋生分生組織位于葉腋(葉和莖之間的連接處)，發(fā)育于胚后階段。與頂端分生組織(Shoot Apical Meristems，SAMs)相似，AMs含有多能細胞群，植物分枝取決于多能細胞的活性[3]。但這些多能細胞的維持和發(fā)育具有十分復(fù)雜的調(diào)控機制。

雖然植物激素是一類化學(xué)結(jié)構(gòu)較為簡單的痕量生長調(diào)節(jié)分子，卻對植物的生長發(fā)育[4]和環(huán)境響應(yīng)[5]都具有十分復(fù)雜的生理效應(yīng)。近年來，基于新的檢測工具、高通量測序技術(shù)及生物信息學(xué)開發(fā)等研究手段的應(yīng)用，大量植物激素合成、信號途徑等突變體被分離鑒定出來，相關(guān)的基因被克隆，使得人們在植物激素調(diào)控植物組織發(fā)育方面有了深入的了解[6]，AMs發(fā)育及其影響因素等研究也得以迅猛發(fā)展。因此，本文對生長素、細胞分裂素、赤霉素和獨角金內(nèi)酯等植物激素在植物AMs形成與發(fā)育過程中的調(diào)控機制進行闡述，并對未來研究方向進行展望。

1 AMs的來源

在AMs開始分化時，葉腋處先形成腫塊，隨之發(fā)育成腋芽，使分枝成為可能。AMs來源于葉腋多能細胞群的細胞分裂分化，這些細胞的體積小于相鄰細胞。但AMs起源一直是個有爭議的問題，目前基于細胞形態(tài)學(xué)研究，提出兩種不同的AMs起源模型[7]。一種是“從頭誘導(dǎo)”模型[8]，該模型認為AMs可以在發(fā)育后期的部分或完全分化的細胞中被誘導(dǎo)出來。該模型是基于不定芽是從莖、葉和根中的各種成熟組織以及傷口愈傷組織中產(chǎn)生的事實，并有葉原基正面(靠近分生組織或上部)的表面有能力形成AMs的證據(jù)支持[8,9]。另外一種是“分離分生組織”模型，該模型認為一些多能未分化細胞從初級頂端分生組織中分離出來并保存在葉腋中，AMs由這些細胞發(fā)育而來[8]。組織學(xué)分析發(fā)現(xiàn)葉原基軸上的細胞未分化[10]，應(yīng)用活細胞成像技術(shù)也證實擬南芥和番茄葉腋細胞中AMs來源于干細胞群[11,12]，這都為分離分生組織理論提供了支撐。但AMs祖細胞在SAMs早期處于休眠狀態(tài)，只有7-9個細胞分裂，分裂率遠低于非邊界細胞，當(dāng)AMs啟動時祖細胞則會立即快速分裂[11]。

如上所述，AMs源于葉腋中的多能細胞群，這些細胞的后代形成腋芽，之后腋芽生長發(fā)育成分枝或進入休眠。可見，AMs發(fā)育過程可分為腋生分生組織的形成和腋芽的生長[13]。眾所周知，植物激素在植物發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用[14]，如生長素、細胞分裂素、赤霉素和獨角金內(nèi)酯等植物激素決定了AMs形成和發(fā)育過程[15]。

2 調(diào)控AMs形成與發(fā)育的植物激素

2.1 生長素

生長素合成后經(jīng)過極性運輸在植物特定細胞和組織積累，調(diào)控植物生長發(fā)育[16]。當(dāng)頂芽存在時，生長素自上而下運輸在葉腋積累而抑制腋芽的生長，這種現(xiàn)象稱為頂端優(yōu)勢[17]。可見，高濃度生長素抑制AMs的形成與發(fā)育。與此一致的是，異位表達葉腋中生長素生物合成酶iaaM抑制了擬南芥AMs的產(chǎn)生，而應(yīng)用生長素信號抑制劑則促生腋芽[18]。DII-Venus auxin sensor的實驗[19]則更直接地發(fā)現(xiàn)，擬南芥和番茄AMs形成的葉腋區(qū)域具有生長素濃度低的特點[20]。應(yīng)用活細胞成像技術(shù)發(fā)現(xiàn)擬南芥葉腋細胞的SHOOTMERISTEMLESS(STM)基因的持續(xù)表達是AMs維持、激活和啟動的關(guān)鍵，葉腋中產(chǎn)生過量的生長素則會降低STM的表達[12]。由此可見，葉腋中的低生長素水平是保證STM持續(xù)表達并促使AMs形成的先決條件。

頂端優(yōu)勢可通過打頂方式去除，在這過程中葉腋中的生長素發(fā)生了轉(zhuǎn)運，而生長素轉(zhuǎn)運是由生長素輸出載體蛋白(PIN-FORMED，PIN)家族決定的[21]。如Wang等[20]分析擬南芥的pin1突變體的分枝表型發(fā)現(xiàn)，與Columbia-0 (Col-0)野生型植物相比，pin1突變體形成針狀花序，產(chǎn)生的葉子比野生型少得多，幾乎沒有葉腋形成芽。生長素極性運輸在pin1突變體中受阻導(dǎo)致高生長素水平進而抑制AMs發(fā)育，可見PIN蛋白在生長素定向運輸中發(fā)揮著重要的作用[22]。而生長素響應(yīng)因子(AUXIN RESPONSE FACTOR 5/MONOPTEROS，ARF5/MP)可調(diào)節(jié)PIN蛋白極性定位，從而促進生長素的不對稱分布[23]。此外，絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶(PINOID，PID)的磷酸化/去磷酸化可調(diào)節(jié)PIN蛋白極性定位[24,25]。PID基因的表達受生長素的誘導(dǎo)[24]，當(dāng)生長素濃度升高，PID酶活性改變從而影響PIN蛋白定位，進一步影響生長素極性運輸[25,26]，因此擬南芥pid突變體中的AMs也是有缺陷的[26]。總之，生長素輸入和輸出動態(tài)是保障葉腋中低生長素水平的關(guān)鍵，并促使AMs的形成與發(fā)育。

2.2 細胞分裂素

除與AMs形成相關(guān)的低生長素環(huán)境外，葉腋的細胞分裂素水平也與AMs的形成與發(fā)育有著十分密切的聯(lián)系。細胞分裂素信號脈沖可以通過TCS細胞分裂素信號傳感器實現(xiàn)監(jiān)測[27]，應(yīng)用該傳感器可以在擬南芥的葉腋中心AMs啟動時檢測到細胞分裂素脈沖信號，并發(fā)現(xiàn)細胞分裂素的積累[18]。細胞分裂素是腋芽生長最有效和直接的激活劑[28]，如擬南芥supershoot(sps)突變株的細胞分裂素水平上升導(dǎo)致側(cè)芽的大量形成[29]，外源細胞分裂素的應(yīng)用促進豌豆和麻瘋樹AMs的形成[30,31]，等等。可見，無論是內(nèi)源還是外源細胞分裂素都能積極地促進AMs形成。此外，葉腋細胞分裂素信號脈沖依賴于LATERALSUPRESSOR(LAS)、REGULATOROFAXILLARYMERISTEMS(RAX)和REVOLUTA(REV)等基因，如擬南芥葉腋細胞分裂素的增加使其regulatorofaxillarymeristems(rax)突變體的AMs恢復(fù)形成[18]。Tanaka等[32]研究發(fā)現(xiàn)去頂后豌豆腋芽中細胞分裂素生物合成的關(guān)鍵酶ADENYLATEISOPENTENYLTRANSFERASE(AIPT)基因表達水平上升。這是因為STM表達的增加在誘導(dǎo)AMs形成時，同時激活了AIPT的表達，促進了細胞分裂素的生物合成[33,34]。另外，細胞分裂素生物合成[35]、細胞分裂素受體和下游B類細胞分裂素反應(yīng)調(diào)節(jié)因子[18]等基因突變體的AMs形成與發(fā)育均受阻，表明細胞分裂素的生物合成、受體結(jié)合和信號傳導(dǎo)等過程都是AMs生長發(fā)育所需的。

2.3 赤霉素

赤霉素是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育多個方面的關(guān)鍵植物激素之一[36]。在多種植物中可發(fā)現(xiàn)赤霉素水平和AMs形成之間存在負相關(guān)關(guān)系[37-39]。在豌豆中，赤霉素對側(cè)芽生長起抑制作用[40]；擬南芥赤霉素不敏感基因gai突變體表現(xiàn)為頂端優(yōu)勢的減弱和腋芽數(shù)量的增加[41]；異位表達赤霉素合成酶基因GA20ox導(dǎo)致葉腋赤霉素增加，抑制擬南芥AMs形成[42]；而過度表達赤霉素分解代謝基因GA2ox則導(dǎo)致水稻[43]、番茄[44]、草坪草[45]和楊樹[38]的分蘗或分枝數(shù)量增加。然而，赤霉素卻能刺激柑橘和金魚草[46]、甜櫻桃[47]、麻瘋樹[48]以及大蔥[49]的腋芽發(fā)育。目前尚不清楚這些物種是否使用相同的赤霉素信號網(wǎng)絡(luò)來指定AMs形成的位置，或者赤霉素是否已經(jīng)通過與其他激素互作而開發(fā)了替代途徑，但從側(cè)面反應(yīng)赤霉素可能通過復(fù)雜的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)來調(diào)節(jié)AMs的形成。

2.4 獨角金內(nèi)酯

一些突變體，如豌豆的ramosus(rms)突變體[50]、矮牽牛的decreasedapicaldominance(dad)突變體[51]、擬南芥的moreaxillarygrowth(max)突變體[52]以及水稻的dwarf(d)突變體[53]等，它們的生長素水平較高，木質(zhì)部的細胞分裂素水平較低，但它們側(cè)芽數(shù)目卻異常增加。這與前述生長素和細胞分裂素在調(diào)節(jié)腋芽生長發(fā)育中的作用不一致[54]。通過嫁接實驗可以發(fā)現(xiàn)，擬南芥max1、max3或max4突變體的芽嫁接到野生型根上會恢復(fù)到側(cè)芽數(shù)少的水平，表明野生型擬南芥的根能轉(zhuǎn)移某種物質(zhì)抑制側(cè)芽的生長和發(fā)育，而這類物質(zhì)屬于獨角金內(nèi)酯或其衍生物[55]。一些分枝表型增加的擬南芥突變體的獨角金內(nèi)酯處于低水平狀態(tài)[13]，再應(yīng)用獨角金內(nèi)酯的類似物GR24則可抑制這些突變體的枝條分枝[55]。因此，獨角金內(nèi)酯可作為一種新的激素類應(yīng)用于側(cè)芽的生長調(diào)節(jié)方面[55,56]。

獨角金內(nèi)酯最初是從根系分泌物中鑒定出來的有機化合物，能夠刺激特定寄生雜草種子的萌發(fā)[57]，也是營養(yǎng)缺乏植物根部所分泌的化學(xué)信號，可促進共生叢枝菌根真菌的菌絲分枝[58]。現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)擬南芥的MAX3、豌豆的RMS5、水稻的D17(也稱為HDT1)和矮牽牛的DAD3等基因編碼的是類胡蘿卜素雙氧裂解酶(CAROTENOID CLEAVAGE DIOXYGEN-ASE7，CCD7)[59,60]，而擬南芥的MAX4、豌豆的RMS1、水稻的D10和矮牽牛的DAD1等基因編碼的是CCD8[61,62]。CCD7和CCD8兩種酶的功能是協(xié)同將β-類胡蘿卜素裂解成獨角金內(nèi)酯，表明獨角金內(nèi)酯合成途徑屬于類胡蘿卜素合成途徑[63]。水稻的ccd7和ccd8突變體缺乏獨角金內(nèi)酯，而外源獨角金內(nèi)酯應(yīng)用于芽或供應(yīng)到根或維管束，則能夠恢復(fù)ccd7和ccd8突變體的分枝表型[55,56]。除此之外，P450細胞色素c氧化酶(由MAX1編碼)作用于MAX3和MAX4基因的下游[64]，參與獨角金內(nèi)酯生物合成的后期步驟；而MAX2編碼F-box蛋白則可能參與獨角金內(nèi)酯信號的接受或轉(zhuǎn)導(dǎo)[52]，因此MAX2的過表達可以一定程度抑制max3(ccd7)和max4突變體的分枝形成[65]。

研究發(fā)現(xiàn)，打頂或細胞分裂素處理誘導(dǎo)的側(cè)芽生長可被GR24再次抑制[66,67]，擬南芥生長素應(yīng)答突變體植株可在獨角金內(nèi)酯作用下減少分枝數(shù)量[67]。通過對擬南芥的觀察發(fā)現(xiàn)，獨角金內(nèi)酯能抑制腋芽生長是因其抑制了莖中的生長素運輸流[68]，而其獨角金內(nèi)酯突變體的生長素運輸水平恢復(fù)，促進了腋芽的維管發(fā)育，進而刺激芽的生長[69]。由此可見，獨角金內(nèi)酯對AMs的抑制作用可能與獨角金內(nèi)酯抑制生長素極性運輸有關(guān)。通過對比獨角金內(nèi)酯與N-1-Naphthylphthalamic acid (NPA)對突變或斷頭豌豆植物微小芽的抑制作用時發(fā)現(xiàn)，施用獨角金內(nèi)酯的腋芽會迅速停止生長，而施用NPA的則在幾天后才減緩腋芽的生長。二者的區(qū)別在于獨角金內(nèi)酯減少了PIN1蛋白在木質(zhì)部薄壁細胞基膜上的定位，并以依賴MAX2蛋白的方式減少了腋芽處生長素的輸出[66]，而NPA并不從細胞膜上去除PIN蛋白[70,71]，這表明獨角金內(nèi)酯抑制AMs可能是通過抑制PIN蛋白在細胞基膜上的定位進而影響生長素的定向轉(zhuǎn)運而實現(xiàn)的。

2.5 激素間相互作用

由前述可見，生長素、細胞分裂素、赤霉素和獨角金內(nèi)酯等植物激素在AMs形成和發(fā)育過程中均發(fā)揮著重要作用(圖1)。不同植物激素合成代謝途徑存在著廣泛的交叉反應(yīng)，它們可通過多種機理實現(xiàn)相互作用，植物激素間這種相互作用在調(diào)控AMs形成與發(fā)育方面也有所體現(xiàn)。例如，當(dāng)赤霉素信號阻遏蛋白SLR1與介導(dǎo)獨角金內(nèi)酯信號D14蛋白相互作用時，赤霉素信號和獨角金內(nèi)酯信號通路之間可能會串?dāng)_，影響水稻AMs生長發(fā)育[72]。赤霉素結(jié)合DELLA蛋白以反聚體復(fù)合物為靶點，通過非轉(zhuǎn)錄方式影響PIN2蛋白的液泡轉(zhuǎn)運和胞吐[73]，反映出赤霉素可能與生長素相互作用，但這種相互作用機制如何調(diào)節(jié)擬南芥AMs的形成尚不清楚。另外，細胞分裂素能促進生長素輸出蛋白PIN3、PIN4和PIN7在擬南芥芽中的積累并進一步促進芽分枝[17,74]；赤霉素與DELLA蛋白通過物理相互作用促進擬南芥中Type-BARABIDOPSISRESPONSEREGULATOR(B-ARR)基因的表達和轉(zhuǎn)錄活性[75]，Type-B ARRs則直接結(jié)合WUSCHEL(WUS)的啟動子并激活WUS表達，以確定腋生分生組織形成過程中的干細胞生態(tài)位[76-78]，為此，赤霉素可能通過細胞分裂素信號調(diào)節(jié)AMs的形成。獨角金內(nèi)酯則通過減少PIN1定位抑制生長素極性運輸，從而導(dǎo)致擬南芥AMs發(fā)育受阻[68]，但目前對于生長素運輸及獨腳金內(nèi)酯信號途徑如何共同協(xié)調(diào)側(cè)枝發(fā)育的過程仍有待研究。近年來，油菜素內(nèi)酯也被認為能調(diào)節(jié)AMs發(fā)育，如研究發(fā)現(xiàn)擬南芥中與油菜素內(nèi)酯信號和生物合成相關(guān)的突變體中與AMs形成有關(guān)基因(如CUPSHAPEDCOTYLEDON,CUC和LATERALORGANFUSION,LOF)的表達水平也有所改變[79,80]，但油菜素內(nèi)酯是否顯著影響AMs形成有待進一步確認。由此可見，植物激素對AMs發(fā)育的調(diào)控不僅僅是一種植物激素所決定的。由于具有不同的生物學(xué)功能，植物激素在調(diào)控AMs發(fā)育過程中可能存在或協(xié)作、或促進、或抑制甚至拮抗等不同的相互作用關(guān)系，由此造成植物激素對AMs發(fā)育調(diào)控的復(fù)雜性。為此，植物激素相互作用在調(diào)控AMs發(fā)育中的作用還需更加深入地研究。

圖1 植物激素調(diào)控腋生分生組織發(fā)育示意圖

3 調(diào)控AMs形成與發(fā)育的其他因素

各種環(huán)境信號也參與了植物激素調(diào)控AMs發(fā)育過程。如紅光與遠紅光比率(R∶FR)影響著植物腋芽的生長，而R∶FR是由光敏色素光感受器phyto-chrome B (phyB)感知[81]。低R∶FR或phyB功能缺失都能抑制腋芽的生長，如高粱和擬南芥phyB突變體中，植物具有較少的分枝[81,82]。通過研究發(fā)現(xiàn)，R∶FR、phyB可以調(diào)節(jié)高粱中TeosinteBranche-d1(TB1)/BRANCHED1(BRC1)基因表達[37,83]，當(dāng)TB1/BRC1表達時會抑制D14/DAD2的OsMADS57(一種MADS盒轉(zhuǎn)錄因子)阻遏物[84]，使得獨角金內(nèi)酯受體水平升高，進而抑制水稻腋芽生長。另外，phyB控制擬南芥中生長素輸出載體PIN1和PIN3基因的表達[85]，表明phyB可能也影響著生長素信號對AMs發(fā)育的調(diào)節(jié)。隱花素(Cryptochromes，CRYs)是一種藍光受體，翟華偉[86]研究發(fā)現(xiàn)隱花素功能缺失的擬南芥cry1突變體出現(xiàn)多分枝表型，進一步研究發(fā)現(xiàn)CRY1蛋白缺失導(dǎo)致PIF4基因轉(zhuǎn)錄水平升高而使分枝增多。Domagalska等[13]認為營養(yǎng)缺乏也會抑制芽的生長。如土壤中低氮、低磷會導(dǎo)致擬南芥中細胞分裂素水平降低，分枝數(shù)減少[87,88]；而在低磷或低氮條件下生長的根及其分泌物中的獨角金內(nèi)酯水平增加，也伴隨著高粱芽生長的減少[89]。因此，各種環(huán)境信號也參與調(diào)節(jié)AMs的發(fā)育，但是詳細的機制仍然知之甚少。

4 展望

綜上所述，生長素、細胞分裂素、赤霉素、獨角金內(nèi)酯等不同植物激素的水平變化、運輸及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)在AMs發(fā)育過程均有十分重要的作用，植物激素調(diào)控AMs發(fā)育機制也逐漸清晰。但此過程涉及多種植物激素所參與的多種生理生化代謝及基因調(diào)控，而且還受外界環(huán)境因子的影響。隨著新的檢測工具和分析技術(shù)的發(fā)展，未來將進一步加強植物激素的生理功能、運輸、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)以及環(huán)境信號介導(dǎo)的激素互作的研究，主要包括以下4個方面：(1)發(fā)現(xiàn)調(diào)控AMs生長發(fā)育的新型植物激素；(2)深入探索多種植物激素調(diào)控AMs生長發(fā)育的協(xié)同或拮抗作用機制；(3)闡明如光、溫、水等外界環(huán)境因子在植物激素調(diào)控AMs生長發(fā)育方面的影響，并探索環(huán)境因子引起的DNA甲基化、miRNAs剪切等表觀遺傳調(diào)控機制；(4)定向調(diào)控AMs生長發(fā)育實現(xiàn)植物生產(chǎn)力提升的外源植物激素應(yīng)用方案研究。總之，各植物激素在環(huán)境因子參與的背景下調(diào)控AMs生長發(fā)育的機制是錯綜復(fù)雜的，仍需開展更加深入的研究。