植物根毛發(fā)育調(diào)控機(jī)制的研究進(jìn)展

裘喻平 王益川 郭紅衛(wèi)*

（1.南方科技大學(xué)-北京大學(xué)植物與食品聯(lián)合研究所，廣東省普通高校植物工廠分子設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳 518055；2.南方科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，深圳 518055）

根毛是植物根表皮特化形成的附屬結(jié)構(gòu)，具有多種重要的生理功能［1］。早在100 多年前，人們就注意到初級(jí)的維管植物如石松（Lycopodium japonicum）和卷柏（Selaginella tamariscina）等，也具有根毛結(jié)構(gòu)［2］。隨著近年來(lái)分子生物學(xué)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)作為地球現(xiàn)存最古老的陸生植物——地錢(qián)（Marchantia polymorpha），其毛狀假根的發(fā)育模式和高等植物根毛的發(fā)育模式類(lèi)似，并且受到同一基因家族的調(diào)控［3］。這說(shuō)明，根毛的發(fā)育是植物應(yīng)對(duì)環(huán)境變化所采取的一種普遍選擇。

植物的根毛只會(huì)在特定的根表皮細(xì)胞中發(fā)育出來(lái)，能發(fā)育出根毛的表皮細(xì)胞稱(chēng)為根毛細(xì)胞（root hair cells），不能發(fā)育出根毛的表皮細(xì)胞，稱(chēng)為非根毛細(xì)胞（non-root hair cells）［1］。然而，植物根毛發(fā)育的歷程并不是固定不變的，多種植物激素和環(huán)境因素都可以影響根毛的發(fā)育歷程，這體現(xiàn)出根毛發(fā)育的可塑性［4］。正是由于這種可塑性的存在，使得植物在面對(duì)土壤微環(huán)境不斷變化的情況下能迅速做出相應(yīng)的反應(yīng)。例如，當(dāng)土壤中營(yíng)養(yǎng)元素缺乏時(shí)，植物根表皮會(huì)產(chǎn)生大量的根毛以擴(kuò)大根和土壤的接觸面積，從而協(xié)助植物對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收；而當(dāng)固氮菌附著在固氮植物的根毛時(shí)，固氮植物的根毛會(huì)通過(guò)形態(tài)變化，幫助固氮菌定植于植物體內(nèi)等［5］。

在植物根毛的研究中，擬南芥（Arabidopsis thaliana）根毛發(fā)育的分子機(jī)制研究最為深入，其他物種的根毛發(fā)育機(jī)制研究多是參照擬南芥根毛發(fā)育的分子框架進(jìn)行類(lèi)比研究的。在這篇綜述中，筆者將以擬南芥根毛發(fā)育的研究成果為主，從根毛發(fā)育概述、植物激素調(diào)控根毛發(fā)育、環(huán)境因素調(diào)控根毛發(fā)育和根毛發(fā)育研究展望四部分進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1 根毛發(fā)育概述

根據(jù)根毛細(xì)胞和非根毛細(xì)胞排列模式的差異，自然界中的植物可以被分成3 類(lèi)：第1 類(lèi)如水稻（Oryza sativa）、番茄（Lycopersicon esculentum）等，其根毛和非根毛細(xì)胞排列方式?jīng)]有特定規(guī)律可循；第2 類(lèi)如二穗短柄草（Brachypodium distachyon）等，其根表皮是由縱向?qū)ΨQ(chēng)生長(zhǎng)的一大一小2種細(xì)胞組成，其中小細(xì)胞能發(fā)育出根毛，而大細(xì)胞不能發(fā)育出根毛；第3 類(lèi)如擬南芥等，其根表皮由根毛細(xì)胞列和非根毛細(xì)胞列縱向間隔排列組成。擬南芥的主根自根尖而上可分為分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)3個(gè)區(qū)域，由于成熟區(qū)有根毛發(fā)生因而也被稱(chēng)為根毛區(qū)［1］。根據(jù)擬南芥根表皮細(xì)胞和皮層細(xì)胞的相對(duì)位置，擬南芥根表皮細(xì)胞可以分成2類(lèi)：和2個(gè)皮層細(xì)胞接觸的表皮細(xì)胞具有發(fā)育出根毛的潛力，因而被稱(chēng)為根毛細(xì)胞，該細(xì)胞所處位置被稱(chēng)為H 位置；相對(duì)地，只和1 個(gè)皮層細(xì)胞接觸的表皮細(xì)胞不會(huì)發(fā)育出根毛，因而被稱(chēng)為非根毛細(xì)胞，其所處的細(xì)胞位置被稱(chēng)為N 位置［1］（見(jiàn)圖1）。擬南芥根表皮的H 位置細(xì)胞會(huì)依次經(jīng)歷根毛細(xì)胞命運(yùn)分化、根毛起始和根毛伸長(zhǎng)3 個(gè)過(guò)程，最終發(fā)育出成熟的根毛［1］。

圖1 擬南芥主根根毛表型及表皮細(xì)胞分化調(diào)控A.6天齡野生型擬南芥主根根毛生長(zhǎng)表型；B.擬南芥根部橫切示意圖；C.擬南芥根表皮細(xì)胞分化分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Regulation of root hair phenotype and epidermis cells differentiation in primary roots of A. thalianaA.Primary root hair growth phenotype of 6-day-old wild-type A. thaliana；B.Schematic diagram of A.thaliana root transection；C.Schematic diagram of molecular regulatory network for differentiation of A.thaliana root epidermis cells

1.1 根毛細(xì)胞的命運(yùn)分化

在擬南芥H 位置細(xì)胞和N 位置細(xì)胞中存在著2種不同的轉(zhuǎn)錄復(fù)合體，根據(jù)其轉(zhuǎn)錄功能不同被分別命名為轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體和轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體［1］。N 位置細(xì)胞中，由MYB（v-myb avian myeloblastosis viral oncogene homolog）轉(zhuǎn)錄因子家族R2-R3 型蛋白WER（WEREWOLF），bHLH（basic Helix-Loop-Helix）轉(zhuǎn)錄因子家族的GL3（GLABRA 3）和EGL3（ENHANCER OF GLABRA 3），以及WD40 重復(fù)蛋白TTG1（TRANSPARENT TESTA GLABRA 1）通過(guò)蛋白之間的相互作用，形成WER-GL3/EGL3-TTG1轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體［1］。在N 位置細(xì)胞中WER-GL3/EGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)錄Homeodomain 家 族 轉(zhuǎn) 錄 因 子GL2（GLABRA 2）［6］和 小MYB 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子CPC（CAPRICE）及其同源基因的表達(dá)［7］。CPC 及其同源蛋白在N 位置細(xì)胞中合成后會(huì)通過(guò)胞間連絲移動(dòng)到根毛細(xì)胞中發(fā)揮功能［8-10］。在H 位置細(xì)胞中的CPC 蛋白會(huì)和轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體中的WER 蛋白競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合GL3/EGL3-TTG1 復(fù)合體從而形成CPC-GL3/EGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄抑制復(fù)合體［1，9］。由于CPC 蛋白缺少轉(zhuǎn)錄激活結(jié)構(gòu)域，因而CPC-GL3/EGL3-TTG1 不能促進(jìn)下游GL2和CPC等基因的轉(zhuǎn)錄［1，7］。此外，H 位置細(xì)胞中特異表達(dá)的GL3/EGL3，其編碼產(chǎn)物可以移動(dòng)到N 位置細(xì)胞中，參與N 細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄激活復(fù)合體WER-GL3/EGL3-TTG1 的組成從而維持N 位置細(xì)胞非根毛細(xì)胞命運(yùn)［11］。擬南芥根表皮細(xì)胞命運(yùn)分化受到1 個(gè)編碼富亮氨酸受體激酶SCM（SCRAMBLED）調(diào)控［12］。根表皮細(xì)胞發(fā)育早期，SCM 蛋白定位在所有的表皮細(xì)胞的細(xì)胞膜上，并不區(qū)分是H 細(xì)胞還是N 細(xì)胞。隨著根表皮細(xì)胞發(fā)育過(guò)程的進(jìn)行，SCM 蛋白在H 細(xì)胞的細(xì)胞膜上積累并且通過(guò)某種未知的方式抑制WER的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而促進(jìn)H 位置細(xì)胞進(jìn)入根毛細(xì)胞命運(yùn)［4，12］。近期研究發(fā)現(xiàn)，1 個(gè)名為QKY（QUIRKY）的膜蛋白會(huì)穩(wěn)定SCM 蛋白，并且和SCM 蛋白一起調(diào)控CPC 在根表皮細(xì)胞間的正確移動(dòng)，從而維持?jǐn)M南芥根表皮細(xì)胞的正常分化［13］。此外，組蛋白組裝和核糖體合成也被報(bào)道參與到擬南芥根毛命運(yùn)分化，然而這些過(guò)程參與根毛細(xì)胞命運(yùn)調(diào)控的具體分子、生化機(jī)制尚不清楚［14-15］。

擬南芥N 位置細(xì)胞中特異表達(dá)的GL2 蛋白會(huì)抑制一系列根毛發(fā)生基因的表達(dá)從而維持N 位置細(xì)胞的非根毛細(xì)胞命運(yùn)［16-18］。在GL2 負(fù)調(diào)控的眾多根毛發(fā)生因子中研究最為廣泛的是RHD6（ROOT HAIR DEFECTIVE 6）［3］。RHD6 屬于植物bHLH 類(lèi)轉(zhuǎn)錄因子家族的VIIIc 亞家族。在這個(gè)亞家族中還存RSL1～RSL5 成員。這類(lèi)家族蛋白的C端有1 段由14 個(gè)氨基酸組成的特殊結(jié)構(gòu)域，稱(chēng)為RSL 結(jié)構(gòu)域［19］。值得注意的是，在不同物種中，RHD6的同源基因都具有調(diào)控根毛或者根毛狀結(jié)構(gòu)發(fā)生的功能，體現(xiàn)出RSL家族基因功能的保守性［20］。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)在番茄中也存在類(lèi)似于擬南芥根毛分化的轉(zhuǎn)錄因子，可能會(huì)調(diào)控番茄的根表皮細(xì)胞命運(yùn)分化［21］。而禾本科（Poaceae）等其他高等植物根表皮細(xì)胞分化的研究較少［20］。

1.2 根毛的起始和伸長(zhǎng)

擬南芥根表皮細(xì)胞命運(yùn)分化決定后，根毛細(xì)胞就將進(jìn)入根毛形成階段。擬南芥根毛形成階段一般可以分為根毛起始和根毛伸長(zhǎng)2 個(gè)階段［1］。在擬南芥根毛起始階段，根毛細(xì)胞靠近根尖方向處會(huì)形成直徑大約22 μm的圓盤(pán)狀突起［1］。隨后，根毛會(huì)在該突起結(jié)構(gòu)上伸長(zhǎng)形成圓柱形的結(jié)構(gòu)。該過(guò)程伴隨著ROPs（RHO-RELATED PROTEIN FROM PLANTS）聚集，細(xì)胞外pH 下降和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)聚集以及微絲蛋白積累等現(xiàn)象的發(fā)生［22］。該過(guò)程的分子調(diào)控機(jī)制研究相對(duì)較少，主要是細(xì)胞生物學(xué)的觀察。

當(dāng)根毛的起始過(guò)程完成后，根毛就進(jìn)入伸長(zhǎng)階段。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為根毛的伸長(zhǎng)過(guò)程屬于典型的頂端生長(zhǎng)（tip growth）過(guò)程［1］。在該過(guò)程中，RHD6下游調(diào)控的RSL4及其同源基因RSL2起到關(guān)鍵作用［1］。擬南芥rsl4 rsl2雙重突變體在已知的所有促進(jìn)擬南芥根毛生長(zhǎng)的條件下都不能發(fā)育出根毛，因此人們普遍認(rèn)為RSL4和RSL2是擬南芥根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中最關(guān)鍵因子［23］。rsl4 rsl2雙重突變體中H位置的細(xì)胞依舊保留有根毛起始過(guò)程，這顯示RSL4和RSL2并不參與調(diào)控?cái)M南芥根毛起始過(guò)程而只是參與根毛伸長(zhǎng)過(guò)程［24］。

在根毛頂端生長(zhǎng)過(guò)程中，根毛細(xì)胞中鉀離子和氯離子的濃度會(huì)增加進(jìn)而增加根毛細(xì)胞中的膨壓，為根毛伸長(zhǎng)提供持續(xù)的動(dòng)力［1］。在根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中，根毛頂端細(xì)胞壁會(huì)因?yàn)閜H 的下降和活性氧的增加而軟化從而膨大；pH 下降和活性氧的增加又會(huì)激活鈣信號(hào)的增強(qiáng)，從而加固膨大的細(xì)胞壁以免細(xì)胞爆裂［1］。在根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中pH、活性氧和鈣信號(hào)三者處于周期性變化中。此外，在根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中ROPs 蛋白會(huì)聚集在根毛頂端來(lái)指導(dǎo)根毛的伸長(zhǎng)方向［4］。近期，有研究表明根毛的伸長(zhǎng)過(guò)程不僅包括根毛細(xì)胞頂端生長(zhǎng)，也包括根毛細(xì)胞的側(cè)壁生長(zhǎng)，但其生物學(xué)意義和機(jī)理還有待研究［25］。相對(duì)于研究較為豐富的根毛細(xì)胞分化過(guò)程，根毛伸長(zhǎng)研究中還有很多基礎(chǔ)性問(wèn)題沒(méi)有得到解決，例如根毛細(xì)胞伸長(zhǎng)過(guò)程中鉀離子和氯離子濃度是如何增加的，pH 和活性氧是如何激活鈣信號(hào)的，ROPs 蛋白是如何準(zhǔn)確定位在根毛頂端的等。除此之外，根毛如何停止生長(zhǎng)也是一個(gè)十分有趣的問(wèn)題，然而至今關(guān)于這方面的研究只是停留在細(xì)胞學(xué)觀察層面，其內(nèi)在機(jī)制研究十分有限［1］。

2 植物激素調(diào)控根毛發(fā)育

植物響應(yīng)外界環(huán)境改變自身生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程，通常會(huì)以調(diào)節(jié)植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。近年來(lái)，多種植物激素被發(fā)現(xiàn)在調(diào)控根毛發(fā)育過(guò)程中起到重要作用（見(jiàn)圖2）。

圖2 多種植物激素整合調(diào)控?cái)M南芥根毛發(fā)育的分子網(wǎng)絡(luò)Fig.2 A molecular network integrating multiple plant hormones to regulate root hair development of A. thaliana

2.1 乙烯

乙烯是一種經(jīng)典的植物激素，具有正調(diào)控根毛發(fā)育的作用［26］。在20 世紀(jì)90 年代，人們發(fā)現(xiàn)外源施加乙烯合成前體ACC（1-Aminocyclopropanecarboxylic Acid）會(huì)促進(jìn)野生型擬南芥根毛伸長(zhǎng)；高濃度ACC 還可以誘導(dǎo)擬南芥異位根毛（在N 位置表皮上發(fā)生的根毛）的發(fā)生［26］。此外，外源施加ACC 可以恢復(fù)rhd6 rsl1突變體根毛缺陷的表型，這暗示乙烯信號(hào)促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)的作用在遺傳上可能位于RHD6/RSL1下游或與之平行［1］。2017 年，F(xiàn)eng 等［27］研究發(fā)現(xiàn)乙烯信號(hào)通路核心轉(zhuǎn)錄因子EIN3（ETHYLENE INSENSITIVE 3）蛋白可以直接結(jié)合RSL4的啟動(dòng)子區(qū)域，誘導(dǎo)RSL4基因表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)。EIN3 還可以和RHD6 直接相互作用形成轉(zhuǎn)錄復(fù)合體加強(qiáng)對(duì)RSL4的轉(zhuǎn)錄上調(diào)作 用［27］。近 期 有 研 究 報(bào) 道，EIN3 可 以 通 過(guò) 和MYB30 的蛋白相互作用，解除MYB30 對(duì)RSL4的轉(zhuǎn)錄抑制作用，從而促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［28］。此外，乙烯促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)需要1 個(gè)鋅指蛋白ZFP5（ZINC FINGER PROTEIN 5）發(fā)揮作用，然而具體的分子機(jī)制尚不清楚［29］。

相較于乙烯促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)分子機(jī)制的研究，乙烯促進(jìn)異位根毛發(fā)生的分子機(jī)制研究相對(duì)較少。早期，研究人員鑒于乙烯處理后GL2表達(dá)的細(xì)胞特異性不變推測(cè)乙烯信號(hào)可能是平行或者位于TTG1/GL2下游調(diào)控根毛發(fā)育［30］。2021 年，Qiu等［31］發(fā)現(xiàn)在飽和濃度外源乙烯處理下，EIN3 可以競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合N 位置細(xì)胞中TTG1 蛋白，干擾WERGL3-TTG1 轉(zhuǎn)錄復(fù)合體對(duì)GL2的轉(zhuǎn)錄激活，下調(diào)其表達(dá)量，從而誘導(dǎo)N 位置細(xì)胞發(fā)育出根毛。此外，RSL4 也會(huì)通過(guò)和EIN3 類(lèi)似的方式調(diào)控GL2的轉(zhuǎn)錄水平，從而參與到乙烯誘導(dǎo)的異位根毛發(fā)生過(guò)程中［31］。乙烯不僅會(huì)參與調(diào)控?cái)M南芥根毛細(xì)胞命運(yùn)分化，根毛起始和根毛伸長(zhǎng)等多個(gè)環(huán)節(jié)，并且還會(huì)和其他植物激素或者環(huán)境刺激相互作用共同調(diào)控根毛發(fā)育。

2.2 生長(zhǎng)素

同乙烯類(lèi)似，生長(zhǎng)素也是一種具有正調(diào)控根毛發(fā)育作用的植物激素［1，32］。外源施加生長(zhǎng)素IAA（Indole-3-acetic acid）可以促進(jìn)擬南芥根毛伸長(zhǎng)［32］，而生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)突變體axr1（auxin resistant 1），生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)突變aux1（auxin1）和pin2（pinformed 2）等都具有根毛缺陷表型［1］。這都說(shuō)明生長(zhǎng)素具有正調(diào)控根毛發(fā)育的功能。和乙烯類(lèi)似，生長(zhǎng)素可以恢復(fù)rhd6 rsl1根毛缺陷的表型，暗示生長(zhǎng)素也可能是位于RHD6/RSL1下游調(diào)控根毛發(fā)育［1，24，32］。外源施加的生長(zhǎng)素可以促進(jìn)RSL4表達(dá)［1］。生長(zhǎng)素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中ARF5（AXUIN RESPONSE FACTOR 5）、ARF7、ARF8 和 ARF19 等轉(zhuǎn)錄因子能直接結(jié)合RSL4的啟動(dòng)子區(qū)域促進(jìn)RSL4轉(zhuǎn)錄，從而促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［23，33］。此外，ARF7 和ARF19 能直接結(jié)合RSL4 的靶基因ERU（ERULUS）調(diào)控根毛細(xì)胞壁的組分變化，促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［34］。

生長(zhǎng)素和乙烯在調(diào)控根系發(fā)育過(guò)程中具有很多交匯，比如生長(zhǎng)素和乙烯都是通過(guò)限制根表皮細(xì)胞的伸長(zhǎng)抑制主根生長(zhǎng)［35］，都會(huì)通過(guò)促進(jìn)RSL4轉(zhuǎn)錄水平促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［23］，都會(huì)影響彼此的合成和信號(hào)通路調(diào)控根系發(fā)育［36］。值得注意的是，生長(zhǎng)素并不能像乙烯一樣誘導(dǎo)擬南芥N 位置細(xì)胞發(fā)育出根毛，也不能恢復(fù)ein3 eil1 rhd6 rsl1突變體的無(wú)毛表型［1，27］，這說(shuō)明乙烯和生長(zhǎng)素信號(hào)在調(diào)控根毛發(fā)育中具有更加復(fù)雜的調(diào)控機(jī)制。

2.3 茉莉酸

茉莉酸作為一種經(jīng)典的脅迫激素，在調(diào)控植物根系發(fā)育、應(yīng)對(duì)逆境脅迫等過(guò)程中發(fā)揮著十分重要的作用［37］。外源施加茉莉酸或者茉莉酸甲酯會(huì)促進(jìn)擬南芥根毛的伸長(zhǎng)、促進(jìn)根毛的分叉，從而增加根毛的覆蓋面積；減少內(nèi)源茉莉酸含量則顯著抑制根毛伸長(zhǎng)［38］。茉莉酸信號(hào)抑制子JAZ（JASMONATE-ZIM-DOMAIN）的五重突變體jazQ的根毛顯著長(zhǎng)于野生型，而JAZ過(guò)表達(dá)植物的根毛長(zhǎng)度要短于野生型［39］。這些都說(shuō)明茉莉酸具有正調(diào)控根毛發(fā)育的功能。研究發(fā)現(xiàn)，茉莉酸信號(hào)通路中負(fù)調(diào)控因子JAZ 蛋白可以干擾根毛發(fā)育因子RHD6 和RSL1 的功能，抑制根毛發(fā)育。激活茉莉酸信號(hào)通路可以促進(jìn)JAZ蛋白降解，解除JAZ蛋白對(duì)RHD6/RSL1 的抑制作用，促進(jìn)根毛發(fā)育［39］。乙烯和茉莉酸在調(diào)控根毛發(fā)育過(guò)程中具有協(xié)同作用。JAZ蛋白可以和乙烯信號(hào)核心轉(zhuǎn)錄因子EIN3/EIL1 相互作用，抑制EIN3/EIL1 功能，抑制根毛伸長(zhǎng)［40］。

2.4 細(xì)胞分裂素

細(xì)胞分裂素在植物生長(zhǎng)發(fā)育和細(xì)胞周期調(diào)控中起到重要作用［41］。在根毛發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞分裂素起正調(diào)控作用。外源施加或者內(nèi)源增加植物體內(nèi)細(xì)胞分裂素的含量都能顯著促進(jìn)擬南芥根毛發(fā)育［42］。研究報(bào)道，鋅指蛋白ZFP5 在細(xì)胞分裂素調(diào)控的根毛發(fā)育過(guò)程中起到重要作用。外源施加細(xì)胞分裂素不能恢復(fù)zfp5突變體短根毛的表型。并且外源施加的細(xì)胞分裂素能促進(jìn)ZFP5轉(zhuǎn)錄水平的上調(diào)。這些都顯示細(xì)胞分裂素是通過(guò)調(diào)控ZFP5調(diào)控根毛伸長(zhǎng)的［29］。研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞分裂素、生長(zhǎng)素和乙烯在調(diào)控根毛發(fā)育過(guò)程中具有相互獨(dú)立的作用［42］，然而這3 種激素都能促進(jìn)RSL4轉(zhuǎn)錄本的上調(diào)，促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)，暗示他們?cè)诖龠M(jìn)根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中存在共同節(jié)點(diǎn)［23，42］。

2.5 油菜素甾醇

油菜素甾醇信號(hào)通路是維持?jǐn)M南芥根表皮細(xì)胞命運(yùn)分化所必需的［43］。內(nèi)源激活油菜素甾醇信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致擬南芥根表皮的H 位置細(xì)胞進(jìn)入非根毛細(xì)胞命運(yùn)，從而減少根毛發(fā)生；與之相對(duì)的是，阻斷油菜素甾醇信號(hào)通路會(huì)導(dǎo)致N 位置細(xì)胞進(jìn)入根毛細(xì)胞命運(yùn)，從而增加根毛發(fā)生［44-45］。這說(shuō)明油菜素甾醇信號(hào)具有維持N 位置細(xì)胞非根毛細(xì)胞命運(yùn)的作用。研究發(fā)現(xiàn)，油菜素甾醇具有正調(diào)控非根毛細(xì)胞核心轉(zhuǎn)錄因子WER轉(zhuǎn)錄水平的功能［45］。2014年，Cheng等［44］發(fā)現(xiàn)在植物體內(nèi)油菜素甾醇信號(hào)具有調(diào)控根表皮細(xì)胞命運(yùn)復(fù)合體WERGL3/EGL3-TTG1 的作用。當(dāng)植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度較低時(shí)，其信號(hào)核心負(fù)調(diào)控因子BIN2（BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 2）處于激活狀態(tài)。激活狀態(tài)的BIN2 會(huì)磷酸化根表皮細(xì)胞中EGL3 和TTG1 蛋 白，從 而 干 擾WER-GL3/EGL3-TTG1 對(duì)GL2的轉(zhuǎn)錄激活作用，誘導(dǎo)N 位置細(xì)胞發(fā)育出根毛；當(dāng)植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度正常時(shí)，其信號(hào)核心負(fù)調(diào)控因子BIN2 處于失活狀態(tài)，失活狀態(tài)的BIN2 無(wú)法磷酸化EGL3 和TTG1 蛋白，根表皮細(xì)胞中WER-GL3/EGL3-TTG1 得以激活GL2的轉(zhuǎn)錄，從而維持正常的根表皮細(xì)胞命運(yùn)分化；當(dāng)植物體內(nèi)油菜素甾醇濃度較高時(shí)，會(huì)促進(jìn)WER 蛋白在H 位置細(xì)胞中積累，導(dǎo)致在H 位置細(xì)胞中具有完整且有活性的WER-GL3/EGL3-TTG1復(fù)合體，促進(jìn)GL2的轉(zhuǎn)錄水平，誘導(dǎo)H位置細(xì)胞進(jìn)入非根毛細(xì)胞命運(yùn)［44］。

2.6 脫落酸

脫落酸在調(diào)控根毛發(fā)育過(guò)程中的作用相對(duì)復(fù)雜。一方面，脫落酸會(huì)通過(guò)促進(jìn)OBP4（OBF BINDING PROTEIN4）蛋白積累抑制RSL2轉(zhuǎn)錄，抑制根毛伸長(zhǎng)［46-47］；另一方面，外源施加脫落酸能促進(jìn)擬南芥異位根毛發(fā)生［48］。脫落酸促進(jìn)根毛起始可能部分依賴(lài)于過(guò)氧化氫的作用。外源施加適量的過(guò)氧化氫可以顯著誘導(dǎo)根毛產(chǎn)生［48］。而施加過(guò)氧化氫的清除劑ASA（Ascorbic acid）可以顯著抑制ABA 誘導(dǎo)的根毛起始［49］。然而，脫落酸促進(jìn)異位根毛發(fā)生的分子機(jī)制尚不清楚。

3 環(huán)境因素調(diào)控根毛發(fā)育

植物根表皮細(xì)胞的發(fā)育過(guò)程具有很強(qiáng)的可塑性［4］。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，植物根表皮細(xì)胞會(huì)做出響應(yīng)以適應(yīng)外界環(huán)境變化［5］。近年來(lái)越來(lái)越多的研究聚焦于環(huán)境因素調(diào)控的植物根毛發(fā)育（見(jiàn)圖3）。

圖3 環(huán)境因素調(diào)控?cái)M南芥根毛的可塑性發(fā)育Fig.3 Environmental factors regulate the plastic development of root hairs in A. thaliana

3.1 磷元素

磷元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的大量元素。在自然界的土壤中，大部分磷酸鹽會(huì)與陽(yáng)離子結(jié)合而沉淀，或被土壤微生物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物而難以被植物直接攝取，因而農(nóng)作物會(huì)經(jīng)常面臨缺磷脅迫。植物在應(yīng)對(duì)缺磷脅迫時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列生理和形態(tài)方面的變化以促進(jìn)磷元素的獲取和利用［50］。

在缺磷環(huán)境下生長(zhǎng)的擬南芥根毛是正常環(huán)境下的2倍，并且缺磷環(huán)境會(huì)誘導(dǎo)擬南芥異位根毛發(fā)生［4］。這顯示缺磷脅迫正調(diào)控根毛發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)，缺磷脅迫會(huì)活化植物體內(nèi)生長(zhǎng)素信號(hào)通路，從而促進(jìn)RSL2和RSL4的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［51-53］。相對(duì)地，環(huán)境中高濃度的磷會(huì)抑制RSL4的轉(zhuǎn)錄，抑制根毛伸長(zhǎng)［53］。有趣的是，在高磷環(huán)境下施加生長(zhǎng)素不能促進(jìn)rsl2突變體根毛伸長(zhǎng)，卻能促進(jìn)rsl4突變體根毛伸長(zhǎng)，這顯示RSL2和RSL4在響應(yīng)生長(zhǎng)素和外界磷濃度變化時(shí)存在差異［54］。此外，缺磷脅迫還能通過(guò)活化乙烯信號(hào)通路，促進(jìn)根毛發(fā)育。Song 等［55］發(fā)現(xiàn)乙烯受體ERS1的功能獲得性突變體表現(xiàn)出對(duì)低磷的超敏感特性。該突變體在低磷環(huán)境下具有較野生型更長(zhǎng)和更多的根毛。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，該突變中EIN3 蛋白會(huì)在低磷環(huán)境下積累，促進(jìn)RSL4等根毛發(fā)育正調(diào)控因子表達(dá)，從而促進(jìn)根毛發(fā)育［55］。缺磷脅迫還會(huì)促進(jìn)CPC同 源 基 因ETC1（ENHANCER OF TRY AND CPC1）的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，促進(jìn)根毛發(fā)育［56］。有研究人員通過(guò)單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄測(cè)序手段發(fā)現(xiàn)，低磷會(huì)誘導(dǎo)根部維管組織中細(xì)胞分裂素合成，促進(jìn)根毛發(fā)育［57］。目前，關(guān)于低磷促進(jìn)擬南芥根毛發(fā)育的報(bào)道有很多，但植物是如何整合缺磷信號(hào)和根毛發(fā)育的分子機(jī)制探索還較少。

3.2 鐵元素

鐵元素是植物體內(nèi)大量酶促反應(yīng)必需的輔因子，是植物體所需的大量元素之一。然而天然土壤中的鐵元素常以難溶的三價(jià)鐵形式存在，因此植物在自然環(huán)境中經(jīng)常會(huì)面臨缺鐵脅迫［58］。植物的根會(huì)通過(guò)質(zhì)子泵AHA2（H+-ATPASE 2）向土壤中排放氫離子從而使得土壤酸化，三價(jià)鐵會(huì)在FRO2（FERRIC REDUCTASE-OXIDASE 2）的作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇艿亩r(jià)鐵［58］。植物在缺鐵環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生具有分叉的根毛而不是異位根毛以擴(kuò)大根系覆蓋面積，獲取更多的鐵元素［59］。考慮到外源施加茉莉酸能促進(jìn)根毛分叉，缺鐵脅迫導(dǎo)致的根毛分叉很可能和茉莉酸信號(hào)有關(guān)［38］。轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，缺鐵還會(huì)導(dǎo)致乙烯和生長(zhǎng)素信號(hào)相關(guān)基因的表達(dá)產(chǎn)生變化，暗示生長(zhǎng)素信號(hào)和乙烯信號(hào)通路可能也會(huì)參與缺鐵調(diào)控的根毛發(fā)育［60］。值得注意的是，在植物響應(yīng)缺鐵脅迫過(guò)程中，其蛋白質(zhì)組會(huì)產(chǎn)生顯著變化，暗示轉(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾在植物響應(yīng)缺鐵脅迫過(guò)程中起到重要作用［61］。

3.3 氮元素

氮元素是農(nóng)作物所需的大量元素，也是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的主要營(yíng)養(yǎng)元素。土壤中的氮元素主要以硝酸鹽和銨鹽2 種形式存在［62］。其中硝酸鹽既可以作為植物的氮源，也可以作為植物信號(hào)分子調(diào)控植物根系發(fā)育［63］。

根毛在植物吸收硝酸鹽過(guò)程中起到非常重要的作用。擬南芥根毛缺陷突變體較野生型會(huì)積累更少的硝酸鹽；與之相對(duì)的是，具有異位根毛發(fā)生的突變體會(huì)積累較野生型更多的硝酸鹽［64］。外源施加硝酸鹽會(huì)增加根毛密度，并且硝酸鹽這種促進(jìn)根毛密度增加的效果主要是通過(guò)抑制根表皮細(xì)胞長(zhǎng)度得以實(shí)現(xiàn)的［65］。此外，硝酸鹽會(huì)通過(guò)TGA1/TGA4（TGACG SEQUENCE-SPECIFIC BINDING PROTEIN 1/4）誘導(dǎo)CPC基因表達(dá)，這暗示CPC基因可能在硝酸鹽誘導(dǎo)的根毛密度增加過(guò)程起重要作用［65］。當(dāng)環(huán)境中硝酸鹽含量不足時(shí)，植物會(huì)以一種NRT2.1（NITRATE TRANSPORTER 2.1）依賴(lài)的方式促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［66］。此外，在培養(yǎng)基中減少銨鹽（不減少硝酸鹽）可以顯著促進(jìn)擬南芥根毛的伸長(zhǎng)；有趣的是，在培養(yǎng)基中增加銨鹽會(huì)誘導(dǎo)擬南芥根毛發(fā)生分叉，然而其具體分子機(jī)制尚不清楚［67］。

3.4 干旱和鹽脅迫

干旱和鹽脅迫是植物所面臨的最普遍的非生物脅迫。除了干旱直接導(dǎo)致的植物缺水，高鹽脅迫同樣會(huì)導(dǎo)致植物失水［68］。根毛的存在極大增加了植物根部和土壤的接觸面積，一般認(rèn)為根毛有助于植物吸收礦物質(zhì)和水分［1］。通過(guò)增加水稻和玉米（Zea mays）等作物的根毛密度可以顯著增加這些作物的耐旱性，這顯示了根毛在植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫中的重要作用［69-70］。然而在培養(yǎng)皿中，過(guò)多或者過(guò)少的水分都會(huì)抑制根毛發(fā)育，這體現(xiàn)出環(huán)境水分含量對(duì)根毛影響的復(fù)雜性［67］。與干旱脅迫類(lèi)似的是，鹽脅迫也會(huì)抑制植物根毛的發(fā)育，并且可能和鹽響應(yīng)信號(hào)通路的SOS1 相關(guān)［71-72］。此外，干旱會(huì)促進(jìn)擬南芥根毛產(chǎn)生分叉［67］。值得注意的是，與干旱和鹽脅迫有緊密關(guān)系的脫落酸在調(diào)控根毛發(fā)育過(guò)程中也具有兩面性［67］。未來(lái)以脫落酸信號(hào)為靶點(diǎn)，研究干旱和鹽脅迫調(diào)控根毛發(fā)育的分子機(jī)制可能是一種可行的方案。

3.5 溫度

自然界的溫度變化較實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)條件是十分劇烈的。環(huán)境溫度的降低或者升高都會(huì)顯著影響植物主根的發(fā)育［73］。有研究顯示，低溫（10 ℃）會(huì)顯 著 促 進(jìn) 擬 南 芥 根 毛 伸 長(zhǎng)。Pacheco 等［74］利 用GWAS（Genome Wide Association Study）方法鑒定到過(guò)氧化酶PRX62（PEROXIDASE 62）和PRX69（PEROXIDASE 69）在低溫誘導(dǎo)的擬南芥根毛伸長(zhǎng)過(guò)程中起到重要作用。低溫下PRX62 和PRX69會(huì)通過(guò)調(diào)控活性氧和細(xì)胞壁擴(kuò)張蛋白方式促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［74］。此外，研究還發(fā)現(xiàn)低溫會(huì)促進(jìn)擬南芥長(zhǎng)鏈非編碼RNA APOLO（AUXIN-REGULATED PROMOTER LOOP）的積累，進(jìn)而介導(dǎo)轉(zhuǎn)錄因子WRKY42對(duì)RHD6的轉(zhuǎn)錄激活作用，從而促進(jìn)根毛伸長(zhǎng)［75］。和低溫正調(diào)控植物根毛發(fā)育相對(duì)的是，高溫對(duì)植物根毛發(fā)育影響的研究較少。有研究人員在篩選溫敏突變體過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)FER（FERONIA）點(diǎn)突變體fer-ts（feronia-temperature sensitive）具有高溫誘導(dǎo)的根毛發(fā)育缺陷表型。該突變體在高溫（30 ℃）下，幾乎沒(méi)有根毛發(fā)生；而在22 ℃溫度培養(yǎng)，能正常發(fā)育出根毛［76］。然而在30 ℃下生長(zhǎng)的野生型擬南芥的根毛長(zhǎng)度和密度與22 ℃下生長(zhǎng)的沒(méi)有顯著差異［76］，這說(shuō)明30 ℃的溫度條件并不會(huì)影響正常的根毛生長(zhǎng)。

3.6 根際微生物

根毛為植物和土壤微生物之間的信息交流提供了重要場(chǎng)所［5］。土壤中存在多種類(lèi)型的土壤微生物，包括促進(jìn)植物生長(zhǎng)的根際微生物PGPR（plant growth promoting rhizobacteria）、共生固氮微生物和病原微生物等。這些微生物會(huì)通過(guò)定植在植物根毛結(jié)構(gòu)和植物形成共生或非共生方式和植物一同生存［19］。在這個(gè)過(guò)程中，菌會(huì)分泌多種物質(zhì)調(diào)控植物根毛發(fā)育，幫助菌和植物的互作［77-78］。比如，共生根瘤菌會(huì)首先利用凝集素結(jié)合葡甘露聚糖/根黏蛋白結(jié)合到固氮植物的根毛表面［79］。共生根瘤菌附著在根毛表面后，會(huì)釋放結(jié)瘤因子（nod factors），導(dǎo)致根毛頂端向根瘤菌附著部位生長(zhǎng)，導(dǎo)致根毛卷曲包裹根瘤菌進(jìn)入根毛。根瘤菌會(huì)通過(guò)根毛頂端的質(zhì)膜內(nèi)陷形成的侵染線進(jìn)入植物體內(nèi)［80］。此外，一些PGPR和病原微生物會(huì)通過(guò)乙烯或者生長(zhǎng)素信號(hào)依賴(lài)的方式增加根毛長(zhǎng)度和密度［5］。還有一些研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)AHLs（N-acyl-l-homoserine lactones，N-酰基-l-高絲氨酸內(nèi)酯）可以生長(zhǎng)素信號(hào)不依賴(lài)的方式促進(jìn)擬南芥根毛發(fā)育［81］。這說(shuō)明不同根際微生物會(huì)通過(guò)不同方式影響植物根毛發(fā)育從而幫助自身生存和繁衍。

4 根毛發(fā)育研究展望

根毛作為植物與環(huán)境接觸的最外層結(jié)構(gòu)，在植物生長(zhǎng)發(fā)育和應(yīng)對(duì)各種脅迫過(guò)程中起到重要作用。隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)植物根毛的發(fā)育過(guò)程有了更加全面的認(rèn)識(shí)?；谶@一認(rèn)識(shí)，研究者們建立了一個(gè)完整的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，并將其與其他植物激素信號(hào)和環(huán)境刺激信號(hào)整合在一起。

然而縱觀根毛發(fā)育研究的歷程，還是有很多不足之處。在根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的搭建過(guò)程中，人們多是依賴(lài)于遺傳學(xué)和分子生物學(xué)的研究手段［1］，缺乏對(duì)于根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中重要組分生化性質(zhì)和功能的探究。此外，如今的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)主要是基于轉(zhuǎn)錄調(diào)控的關(guān)系搭建而成，缺乏其他層面調(diào)控的研究。近年來(lái)，陸續(xù)有研究報(bào)道表觀遺傳、翻譯和翻譯后修飾調(diào)控可能參與到根毛發(fā)育過(guò)程中，但是這些調(diào)控過(guò)程在整體的根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的重要性還有待挖掘和檢驗(yàn)［14-15，44］。在植物激素調(diào)控根毛發(fā)育的研究中，人們多是從整體上改變植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程來(lái)研究植物激素對(duì)于根毛發(fā)育的影響［67］，缺乏從組織層面或是細(xì)胞層面上研究植物激素對(duì)根毛發(fā)育的影響。通過(guò)現(xiàn)有的豐富的分子生物學(xué)工具，實(shí)現(xiàn)組織層面和細(xì)胞層面的激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的操縱已不是難事。未來(lái)基于分子生物學(xué)工具研究微觀尺度下原位激素信號(hào)調(diào)控根毛發(fā)育是一個(gè)值得嘗試的方向。在環(huán)境因素影響根毛發(fā)育研究中，分子機(jī)制研究相對(duì)較淺，缺乏諸如將植物感受環(huán)境刺激信號(hào)和根毛發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)整合在一起的研究［61］。隨著近年來(lái)單細(xì)胞測(cè)序技術(shù)發(fā)展，更加系統(tǒng)、精準(zhǔn)地探究環(huán)境刺激對(duì)根毛發(fā)育歷程的改變，可能為挖掘環(huán)境因素對(duì)根毛發(fā)育影響的分子機(jī)制提供契機(jī)。

根毛作為植物普遍具有的結(jié)構(gòu)，其發(fā)育分子機(jī)制在不同植物之間具有保守性。例如，水稻、楊樹(shù)（Populus）和卷柏等物種中的RSL4的同源基因可以恢復(fù)擬南芥rsl4突變體根毛缺陷表型［82］；地錢(qián)和小立碗蘚（Physcomitrium subeurystomum）中RSL同源基因可以促進(jìn)這2種植物毛狀假根（類(lèi)似于根毛的結(jié)構(gòu)）的形成［3］。這些都說(shuō)明以擬南芥根毛研究為基礎(chǔ)指導(dǎo)其他物種根毛研究是可行的。然而值得注意的是，在不同物種間，根毛發(fā)育過(guò)程也存在差異。比如，在水稻中生長(zhǎng)素輸入性蛋白OsAUX1 主要在根毛細(xì)胞中積累，而擬南芥中的AtAUX1 主要在非根毛細(xì)胞中積累［83］。這也提示了，不能將擬南芥中根毛研究成果簡(jiǎn)單推廣到其他物種。