生长素和细胞分裂素诱导愈伤组织生根的作用机理

林港丽 徐敬 顾家家 陈文荣

摘要 结合目前生命科学的研究进展，对愈伤组织不定根的发生过程及生长素和细胞分裂素在该过程中的相关作用机理进行探究。

关键词：愈伤组，不定根，生长素，细胞分裂素，相互作用

中图分类号Q-49文献标志码E

生长素和细胞分裂素在植物组培中的作用是高中生物教学的重点。浙科版高中生物《必修3·稳态与环境》的“植物激素调节”中，对细胞分裂素的作用有两段不一致的描述：在“五大类植物激素”的表格中是“影响根的生长和分化”;而在“生长素和细胞分裂素在植物组织培养中的相互作用”中，认为“细胞分裂素太多，只长茎叶不长根”。为此，有不少学生感到疑惑：既然细胞分裂素可影响根的生长和分化，那愈伤组织在高浓度的细胞分裂素中为何不长根呢？因此，下面结合目前生命科学的研究进展，从愈伤组织生根的作用机理入手，探究生长素和细胞分裂素的作用，为学生这一迷思概念的解决提供参考依据。

1愈伤组织不定根的形成机理

植物的根系是由主根、侧根、根毛及不定根构成，其中不定根是在植物器官受伤或激素、病原、微生物等外界因素的刺激的作用下，出现在茎或叶上的根，它的发生从根原基的分化开始，表现为植物的再生反应。在植物组织培养中，愈伤组织长出的根也被称为不定根。

不定根的发生可分为诱导阶段、起始阶段、模化阶段和显现阶段4个过程，如图1所示。诱导阶段是指外植体在生长素的作用下形成愈伤组织，诱导维管原形成层和维管薄壁细胞形成根创始细胞。起始阶段指的是根创始细胞经过细胞分裂形成根原基。模化阶段指的是根原基继续分裂，并开始进行功能分区，进而形成根尖分生组织。根尖分生组织是由过渡扩增细胞（一种具有分化潜能的细胞，能够快速分裂形成各种组织）和位于核心部位的干细胞龛构成的。干细胞龛是集中储存干细胞的部位，是由位于核心的静止中心和周围的初始细胞构成。静止中心自身很少分裂，但它能够向初始细胞发出信号。当初始细胞接受信号后，在每次的细胞分裂后，都会有一个维持初始细胞属性的细胞存在，剩下的成为过渡扩增细胞。显现阶段指的是根尖分生组织通过分裂分化形成根尖各部分结构，接下来快速伸长，最终突破表皮形成不定根。

2 生长素与愈伤组织生根

2.1 生长素促进维管组织分化

生长素在不定根形成过程中的第一个阶段——诱导阶段中可能起到了促进维管组织分化的作用。对植株特定区域施加生长素后，该区域及其周围的维管组织更发达，如桃硬枝插条在愈伤组织脱分化形成根的时候，内源生长素的含量大量增多。

2.2 生长素激活转录因子WOXll/WOXl2基因表达

生长素可激活维管原形成层细胞和维管薄壁细胞中WOXll和WOXl2这两种转录因子基因的表达。WOXll和WOXl2是WOX转录因子家族成员，共同参与维管原形成层及维管薄壁细胞转变为根创始细胞的过程。此后，根创始细胞进入起始阶段逐步形成根原基，此时WOXll和WOXl2逐渐退出表达。

2.3 生长素调控SCR基因表达

生长素能够调控SCR基因表达，使根原基完成模化阶段，形成根尖分生组织。SCR是生长素的响应基因（与根和茎端组织发育相关），能够调控WOX5基因（干细胞龛的关键基因，能调控干细胞龛中静止中心的分裂与分化）。

3 细胞分裂素与愈伤组织生根

细胞分裂素抑制根尖分生组织的分化，但促进分化以后分生组织的分裂。例如，豌豆根形成的过程中，在根原基还未形成前，其细胞分裂素水平低，而当根原基形成后，细胞分裂素水平上升，以适应细胞分裂的需要;在插条生根时，溶液中加入细胞分裂素，根原基的形成便会被阻止，而未添加细胞分裂素的溶液则能形成不定根。在模化阶段，细胞分裂素对根原基分化的抑制是通过抑制与静止中心活性有关的基因（WOX5、SCR、LAX2）实现的。因此，高生长素硼胞分裂素比例的环境，才能使根原基的静止中心分裂，进而使得根原基形成根尖分生组织。

4 生长素和细胞分裂素的相互作用与愈伤组织生根

4.1 细胞分裂素抑制生长素向内运输

生长素和细胞分裂素在诱导愈伤组织生根的过程中相互拮抗。生长素促进根原基分化，细胞分裂素抑制根原基分化。这一过程是细胞分裂素通过基因调控，抑制生长素向内运输实现的。细胞分裂素能够激活ARRl基因和ARR2基因。这两个基因可抑制LAX2基因表达，其产物是生长素运输蛋白（内向运输型）。因此，细胞分裂素通过激活ARRl/ARR2，抑制IAX2的表达，从而抑制生长素向内运输，进而抑制根原基分化。

4.2 生长素抑制细胞分裂素输出

生长素可抑制细胞分裂素的输出，创设出静止中心高生长素低细胞分裂素环境，促进根原基分化。根创始细胞在发育过程中经过一次横向分裂可形成上部子细胞和下部子细胞，其中上部子细胞为静止中心的前体，生长素通过调节ARR7和ARRl5基因的转录，抑制细胞分裂素的输出，使得上部细胞的细胞分裂素含量高，而下部子细胞生长素含量高，从而促进根原基的分化。

5研究与展望

由此，最开始的问题可以得到解决——教材中对细胞分裂素作用的表述为“影响根的生长和分化”，其中“影响”一词在此处的意思可以解释为在根的生长和分化中起到了作用，这种作用可以是促进，也可以是抑制。纵观整个愈伤组织生根过程，细胞分裂素与生长素拮抗，抑制维管形成层和维管薄壁细胞的分化，但在显现阶段可促进分生组织的细胞分裂，帮助不定根迅速生長突出表面，形成成熟的不定根。因此，细胞分裂素抑制根的分化但促进根的生长，这一点与愈伤组织在高浓度的细胞分裂素中不生根的现象并不冲突。但教材中“影响”一词的使用容易造成学生对此处的疑问，需要教师花费时间纠正学生这一迷思概念。植物激素对植物生理的作用是通过调控基因的表达而进行的，其作用是复杂且相互影响的，从1902年德国植物生理学家Haberlandt提出“细胞全能性”开始，一直到1957年Skoog和Miller发现低激动素（一种细胞分裂素的类似物）/生长素比例促进根的发生，此后经过50多年的研究，愈伤组织不定根的形成过程已经明确。然而，不定根诱导过程的分子机理目前仍有待进一步研究。