环境胁迫及相关植物激素在水稻根毛发育过程中的作用

李斌 黄进, 王丽 李瑾 梁越洋 陈稷,

(1成都理工大学 生态环境学院，成都 610051；2四川农业大学 农学院，成都 611130；3中国林业科学研究院 资源昆虫研究所，昆明 650224；4四川农业大学 水稻研究所，成都 611130；*通信联系人，E-mail: huangjin18@cdut.edu.cn; jichen@sicau.edu.cn)

水稻是一种单子叶禾本科植物，对人类的重要性主要体现在两个方面：1)水稻是人类主要的粮食作物之一，对人类生存有重要意义。水稻的果实可供食用或者作为食品生产及工业生产的原料，而水稻的秸秆也可作为饲料或者工业生产的原料；2)由于水稻是二倍体植物，并且具有易培养、生长迅速、基因组相对较小且测序已经完成等优点，它成为理想的单子叶模式植物[1]。随着人口的增长与社会的发展，人们对稻米的需求日益增长，但受到有限耕地的制约。虽然当前陆地上有成片的闲置土地，如高原、沙漠、盐碱等地区，但在这些地区存在水分、元素缺乏，渗透压过高等环境胁迫，水稻在以上地区无法种植，或者在分蘖、开花、抽穗等阶段受到抑制，以至于产量受到极大的影响[2-4]。因此，对于育种学家们来说，除了关注如何提高品种的产量以外，如何培育出抗逆品种以适应非传统适耕土地如干旱少水地区、盐碱甚至海滩，也是需要思考的问题。目前，海水稻等可在盐碱或者浅海地区生存的水稻品种的育种工作也有所报道[2]。植物的根作为重要的营养吸收器官，不仅在水分和营养元素的吸收中发挥着重要作用，在植物应对干旱、高渗透压等环境胁迫的过程中也同样发挥着重要作用。当外界土壤干旱时，作为感受器的植物根系首先感受到危险并迅速发出信号，使植物对干旱胁迫做出一系列反应。首先根源脱落酸(abscisic acid, ABA)水平上调，引起叶片气孔关闭，降低蒸腾失水，从而尽可能保持细胞水分，实现植物对干旱的耐受性。此外，干旱胁迫导致的 ABA代谢水平的变化也会改变根系的形态结构，间接影响地上部分生长发育，降低干旱对植物的影响[3]。而当植物处于水淹环境时，乙烯(ethylinne, ETH)在 植植物体 内的水水平升高， 导导致ABA在植物物体内的水平平下降，进而保保证植物可以以抵抗外界环境境的变化[4]。目前针对水稻稻如何应对环环境胁迫的机理研研究开展得较较多，也取得了很大的进展展[5]，但研究对象象主要集中于水稻植株地上上部分或根系系，对于水稻根根毛在应对环环境逆境中的的作用及变化化却很少涉及[6-77]。在水稻生生长发育过程中，根毛作为为水稻根部表皮皮细胞的特化化结构，占根系系表面积70%%以上，是水稻稻根系对水分分和养分吸收的主要贡献者者。现有研究表表明，水稻根毛的发育主要要由遗传因子子主导，即相关关基因通过调调节生长素(indole-3-accetic acid, IAA)等等植物激素的的代谢、ROS(reactive oxyygen species)及CCa2+的浓度及及细胞壁的合合成与水解等等实现对植物根根毛发育的时时空调控[8]。目前也有少量量研究表明植物物根毛的发育育也同时受到到植物所处的的环境条件的共共同调控[9]。基基于水稻根毛毛在水分与养养分吸收中的重重要作用及特特殊的结构和和发育的高度度动态性，可推推测它们在植物处于逆境时时，发挥重要要的作用，但对对于水稻根毛如何在逆境中发挥作用，以及植物激素素、遗传系统如何调控根毛毛的生长发育育以应对逆境的的系统性总结却几乎未见报报道[10]。本文文正是从根毛的的结构、发育特点、调节根根毛的发育相相关植物激素(IAAA、ABA、ETH)与遗传传因子等角度度出发，整理“环环境—激素与与遗传因子——根毛形态发发育”的相互关系系，并就其未来研究的方向向和方法提出出新的思路。

1 水稻根毛结结构和发育育过程

水稻的根为为须根系，即即由主根、侧侧根和须根构构成。。其按照生长长发育程度不不同又可以分分为四部分，即根根冠、分生区区、伸长区、成熟区[11]。水稻的根系系不仅仅是支撑器官官和营养器官官，同时也是是水稻感知外外界环环境如水分、营养元素水水平、有毒元元素等的感受受器。。不仅如此，在感受到外外界环境变化化时，水稻根根系通通过动态改变变根系内部基基因表达水平以做出相相应的的生理、生化化反应，进而帮帮助植物适应应环境胁迫。因此此，根系在水稻稻抗逆反应过过程中发挥着重重要作用[12]，如在在干旱、营养养缺乏情况下下，通过提高高根系和根毛毛的长长度或者提高高根系和根毛毛的密度以获取更多的的水分分和营养物质质[13]。水稻的的根毛是其根根系表面向外外延伸伸的单细胞结结构，不仅参参与水稻营养养吸收，同时时在水水稻根系与外外界微生物相相互作用及应对外界环环境变变化的过程中中发挥着极其其重要的作用用。在面临外外界环环境胁迫时，包括水稻在在内的植物通通过对器官、组织织发育的调控控来加以应对对，而根毛对对外界环境的的响应应是植物通过过对根毛生长长发育的三个阶段的分分别调调控实现的[12]。

图1 环境胁胁迫与植物激素素调控水稻根毛毛发育Fig. 1. Pathwaays of environment factors aand phytohormmone regulatedd rice root hair development..

水稻根毛的的生长发育同同时受到遗传和环境因素的的严格控制，共分为三个个阶段，分别别为：1)根毛毛细胞胞命运决定阶阶段：植物中中根毛细胞确确定，按其排排布模模式共分为三三种，水稻属属于第Ⅱ种(随随机模式)，被确确定的细胞称称作H细胞(hhair cell)[14]；2)根毛尖端端起始阶段：指即将发育为根毛的根表皮细胞的细胞壁一侧开始膨胀, 并在其后逐渐变宽、变长，形成管状突起[12]；3)根毛尖端伸长阶段：指根毛细胞突起后，进入顶端生长阶段。随着复杂的生化反应，根毛细胞的顶端会由分泌小泡构成一个细胞致密区域，同时新合成的质膜和细胞壁物质向顶端运输。当根毛顶端生长到适当程度, 根毛停止生长并进入成熟阶段[12]。通过对拟南芥的研究，我们已经对根毛生长的这三个阶段所涉及的各种生理、生化、细胞过程有了一定认识，大量相关基因及其功能也已被确认[12]。但与拟南芥相比，对于水稻或单子叶植物的根毛生长发育在分子水平上的认识仍然相当有限。到目前为止，在基因或者分子水平上证明参与水稻根毛发育的基因包括根毛细胞特异表达的 OsCSLD1(cellulose synthase-like D1)基因[15]、OsRHL1 (root hairless1)[16]以及 RHS (root hair specific)、RHEs (root hair-specific cis-elements)、EXPA7 (expansin A7)、OsSRH (short root hair)家族的OsSRH1、OsSRH2 以及OsFH1 (formin homology 1 )等[9,11]。但就整个根毛发育调控网络而言，尚有很多的环节缺失，并且水稻中激素对根毛发育作用相关研究也非常不足[11]。

2 环境胁迫对植物根毛形态的调控作用

已有研究表明，在植物处于光照不良、干旱、重金属胁迫、营养元素缺乏等环境胁迫下，根毛的表型会产生相应的变化[11,17]。一般来说，在外界环境变化时，植物通过改变根毛与非根毛细胞的比例、改变根毛长度等方式增加或减少根表面积以适应外界的各种胁迫，从而提高植物的生存能力[18]。更具体地讲，在干旱或者营养缺乏的情况下，植物通过增加根毛长度或者密度去获得更多的水分和养分；当植物处于外界重金属胁迫时，则降低根毛长度或者密度以尽量减少对重金属的接触和吸收。如在干旱胁迫下，受到 ETH、ABA调控的 RHD4(root hair defective 4)根毛生长相关的基因表达量变化，伸长根毛以获得更多水分(表2)[12,19-20]。营养元素缺乏时，植物通过伸长根毛增加根表面积，增加对土壤养分的吸收，如磷、铁和钾等在土壤中相对固定的营养元素[21]。拟南芥中根毛的密度会随着生长环境中锰或铁的减少而增加[22]，而缺氮胁迫通过调控bZIP转录因子TGA1 (TGACG-binding Factor 1)/ TGA4和CPC (Caprice)，共同作用促使拟南芥根毛长度、密度增加[23]。在外界有毒重金属胁迫时，植物通过改变根毛长度减少重金属对植物的毒性，如重金属镉胁迫导致拟南芥根毛伸长等[24]。在各种营养元素中，磷元素与根毛发育关系最为密切，约90%的磷吸收是由根毛完成的[25]。由于土壤中磷元素多以非水溶状态存在，植物根系无法依靠离子交换和离子迁移来完成吸收，因此只有尽量增加根系与土壤的接触面积来提高对磷的吸收，而更多、更密的根毛对植物来说是效率更高且成本最低的适应策略。事实上，研究人员已经清晰描绘了拟南芥在磷胁迫下根部发育的三个主要变化过程。首先，主根停止向下生长，随后侧根数量增加。随着侧根增加，根的表皮细胞数量增加也使根毛细胞的数量显著增加，同时也增加了根毛的长度。最后，根表皮细胞分泌的酸性磷酸酶催化土壤中的有机磷转化为无机磷酸盐，从而使拟南芥获取更多磷元素。在缺磷状态下，无论是拟南芥还是水稻，由IAA合成、转运及IAA响应的转录因子构成的调控网被激活，似乎都是决定根毛生长关键因素[26]。因此，外界环境变化与根毛细胞生长发育之间存在着明确的联系，而其他一些研究也明确了这一点。因此，在这些环境调控根毛表型的过程中，一般来说都会伴随着植物激素表达量的变化[17,19-20]。

3 与环境胁迫相关植物激素参与水稻根毛调控

水稻作为一种模式植物，对于其抗逆相关研究已经有若干进展，大量水稻抗逆相关路径已阐明。但与拟南芥相比，水稻根毛的生长发育以及抗逆相关的分子机理研究较少，尤其是环境胁迫影响根毛发育的分子机理仍需要深入的研究。现有研究表明在环境影响植物根毛发育的过程中，一些受到影响或者参与其中的基因也同时与激素的代谢、转运或者信号通路相关基因存在着重叠，即环境因子对根毛发育的调控作用很大程度上是植物激素相关基因通过对激素的合成、转运、降解等过程的调控来实现的。当水稻感受到干旱或者营养元素缺乏时，通过体内ABA、IAA、ETH等激素水平变化间接调控根毛生长，以提高植物对相应环境逆境胁迫的耐受能力。如缺磷胁迫情况下，水稻通过调控OsAUX1基因改变根部IAA的含量，从而影响根毛的伸长(表1)，促进水稻根毛伸长以获取更多的磷元素[27]；而缺铁胁迫下，水稻或者增加根毛数量[28]，或者利用ETH促进根毛的伸长生长，从而得以最大限度吸收铁元素[29]。因此，在正常条件下植物激素在水稻根毛发育中扮演着重要角色；而在逆境条件下，根毛也是植物激素发挥其“抗逆指挥官”作用的重要环节之一。目前在水稻中的研究已经证实参与根毛与逆境胁迫互作的植物激素主要可能是 IAA和ABA[30-31]，而ETH则在拟南芥中的研究较为透彻[32]。

表1 水稻中参与“环境－激素与遗传因子－根毛形态发育”的基因Table 1. Rice genes involved in the root hair development regulated by both environmental stress and phytohormones.

表2 拟南芥中参与“环境－激素与遗传因子－根毛形态发育”的基因Table 2. Arabidopsis genes involved in the root hair development regulated by both environmental stress and phytohormones.

3.1 生长素(IAA)对水稻根毛发育的调控作用

IAA是水稻根毛发育的关键因素，IAA不仅诱导水稻根毛的伸长[32]，并且在水稻抗胁迫过程中也起着极为重要的作用[33]。IAA是在植物生长旺盛部位合成的极性小分子弱酸性化合物(吲哚类似物)，其本质是吲哚乙酸。IAA参与细胞壁的形成和核酸代谢，并在调控植物的生长的过程中发挥重要作用[34]。适当浓度的IAA为水稻根毛发育所必需，但IAA浓度过高时，反而会严重抑制水稻根毛的伸长生长[35-36]。进一步研究发现IAA主要通过合成、降解和运输等方式改变其在植物体内积累的部位和浓度，以此调控植物的生长发育以及根毛的生长[37-38]。植物体内IAA合成路径有两条，分别为色氨酸途径和非色氨酸路径。而在植物合成IAA主要依赖的色氨酸途径中，YUCCA家族是负责将吲哚丙酮酸IPA(in-dole-3-pyruvate)转化为IAA的限速酶基因[39-40]，同时也参与植物中根毛生长调控[28]。在拟南芥中过表达YUCCA1可促进根毛生长，而通过施用IAA合成抑制剂，则可以抑制根毛的形成，而在恢复实验中对受到抑制剂抑制的植株施用外源IAA，根毛的表型则又可得到恢复。以上研究结果证明YUCCA在调控水稻根毛生长中IAA合成路径的重要作用[40-41]。

IAA在植物体内的运输方式主要有两种：1)由浓度决定的自由扩散，主要是在韧皮部；2)依赖载体和能量的极性运输，主要在细胞内和细胞间进行。通过调控IAA运输载体的活性和细胞内定位，植物可以调控体内不同部位 IAA浓度，实现对生理、生化反应与生长发育的调控作用，以面对外界环境的变化[26]。在IAA的极性运输过程中，主要参与的基因家族包括 IAA输入载体 AUX1/LAX(AUXIN1/like AUX1)和输出载体，包括 PIN(PIN-formed)、类 PIN 蛋白和 ABCB/PGP (ATP binding cassette B/P-glyco-protein) 等。其中OsPIN、OsAUX1/LAX家族也是调控水稻根系生长的主要基因家族。

在 OsAUX基因家族中起关键作用的是OsAUX1，实验发现Osaux1突变体根毛长度变短，且2,4-D (2,4-Dichlorophenoxyacetic acid)和NAA(1-naphthylacetic acid )也不能恢复其短根毛的表型，证实了OsAUX1在水稻根毛生长发育中的关键作用[42]。该结果也在其他研究中得以证实[43]。虽然OsAUX1表达模式与拟南芥AtAUX1类似，但对水稻根毛的研究发现OsAUX1只存在于初形成的根毛细胞中，在成熟根毛细胞中和非根毛细胞中均不表达，该结果表明OsAUX1可能在根表皮细胞是否成为根毛的这一决定阶段发挥作用，并且这个作用是通过影响生长素的运输来实现的[27,42]。此外，OsAUX1还参与植物应对外界磷缺乏或者镉胁迫的反应。在磷缺乏条件下，OsAUX1促使根毛伸长，而在植物面对镉胁迫时，则参与氧化应激反应(表1)[43]。OsAUX家族成员OsAUX2也在根毛中表达，因此很有可能也参与根毛生长调控[42]，而OsAUX3,OsAUX4和OsAUX5等基因是否参与对根毛生长发育的调控则还需要进一步探索。

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OsPIN家族共有12个成员，研究认为OsPIN家族成员在通过改变他们在细胞膜上的分布决定IAA的极性运输[44-45]。其中，OsPIN1定位于质膜并在维管组织和根原基中表达(表1)[42]。OsPIN1在IAA处理后表达量增加并诱导根毛的形成，而OsPIN3参与应答干旱胁迫，但具体的机制还不明确[46]。

ABCB/PGP家族是ABC转运蛋白家族的1个亚家族，在拟南芥中对该家族蛋白的研究较深入。拟南芥中PGP家族共有22个成员[47]，对AtPGP1、AtPGP4、AtPGP19基因的功能已有相关的研究，三个基因都参与对IAA的极性运输，其中AtPGP1负责编码IAA输出载体，而在 AtPGP1或AtPGP19两者发生突变后拟南芥 IAA运输都受到影响[48]。AtPGP4则同时具有输入和输出功能，其功能缺失后拟南芥根毛变长，而过表达AtPGP4使植物根毛变短(表 2)[49]。水稻也有 22个ABCB/PGP家族成员，但只有OsABCB14被证明在生长素转运及维持植物体内铁平衡的过程中发挥作用[50]，对于水稻中其他OsABCB成员的功能还有待进一步探索。当然还有一些基因参与调控IAA通路，如OsWOX3A通过调控 IAA转运相关基因表达调控水稻根毛的形成[51]。ARF(Auxin response factors)家族作为生长素的响应因子参与 IAA调控路径，如 ARF家族的ARF12对根毛有调控作用[52]，ARF16受CTK调控参与根毛生长，并且参与磷胁迫以及铁胁迫途径(表1)[53]。但对于ARF家族中其他成员在水稻根毛生长中是否发挥作用及其相关机理的研究却并没有太多进展。因此，整体而言，当前对水稻中IAA调控根毛生长机制的研究仍有很大的探索空间。

3.2 脱落酸(ABA)对水稻根毛的影响

脱落酸(abscisic acid，ABA)是一种抑制生长的植物激素，多在植物应对外界不良环境的过程中发挥作用，其在环境胁迫调控植物根毛伸长的过程中起着重要的作用。有研究表明，适量的外源 ABA可以诱导水稻根毛的形成，促进水稻根毛的伸长，并伴随新蛋白的合成[54-55]，但过量的 ABA却抑制水稻根毛的伸长[56]。

拟南芥中ABA的核心信号通路已基本清晰[57]，当ABA受体PYR1 (Pyrabactinresistance1)/PYL(Pyraba ctin resistance-like)/RCAR (Regulatory Components of ABA Receptor)与ABA结合时，形成的聚合体再与下游的PP2C (A type 2C protein phosphatase)结合，抑制SnRK2 (SNF1-related protein Kinase 2)磷酸化激活bZIP转录因子，从而实现对ABA响应基因表达的调控[31]。环境胁迫极有可能通过该路径间接调控植物根毛形态。

水稻中 ABA信号通路应基本和拟南芥相同，目前已鉴别出OsPYL/RCAR家族10个成员、PP2C家族9个成员、SARK(stress/ ABA-activated protein kinase)10个成员以及10个b-ZIP转录因子成员。此外，还有在水稻 ABA信号通路中起着抑制作用的OsABIL2 (OsABI-Like 2)基因。ABIL2和负责去磷酸化的SAPK10形成复合体，通过影响b-ZIP转录因子，对ABA响应基因进行调控[57]。而当前研究发现过表达OsABIL2会显著导致根毛长度变短[57]，而过表达SAPK10则导致长根毛表型(表2)[56]，说明ABA极有可能通过PYR/PP2C/SNRK2信号通路调控水稻根毛伸长，而拟南芥中发现ABA通过调控生长素运输载体PINOID的表达改变根毛表型[58-59]。因此，ABA很可能最终也通过IAA运输通路实现对水稻根毛生长的调控。

3.3 乙烯(ETH)对水稻根毛的影响

ETH是一种气体植物激素，也是最简单的烯类化合物。ETH以蛋氨酸为合成原料，1-氨基环丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid，ACC)合酶和ACO (ACC Oxidase)为关键酶，通过简单的线性途径在植物的各个器官均可合成[60]。在植物根毛的生长发育过程中，植物内、外源ETH或者ACC都能促进植物的根毛生长[32,61]。

ETH对根毛生长调控很有可能是通过ETH的信号通路实现的[32]。在拟南芥中，参与 ETH信号通路的成员主要包括 CTR1 (constit-utive triple response 1), EIN2 (ethylene insensitive 2), EIN3(ethylene insensitive 3)，以及EIN3-like 1，RTE1(reversion to ethylene sensitivity 1), EBF (EIN 3 binding F box) 1和2，ETP1 (EIN2- Targeting protein 1)和ETP2等。当ETH和ETH受体结合后激发CRT1活性[62-63]，导致EIN2的低磷酸化，进而激活EIN2蛋白水解酶，EIN2蛋白被水解[64]。而位于EIN2下游的是负责激活ETR (ethylene receptor)的PIN3以及具有类似功能的ELI 1(EIN3-like 1)[65]，由此构成反馈抑制通路。当EIN2未被水解或磷酸化水平较低时，部分活化的EIN2通过抑制EIN3连接酶EBF1(B-cell Factor 1)和 EBF2，保护 EIN3/ER1(endoplasmic reticulum)免于被蛋白酶降解。而对拟南芥的研究已表明，过表达 ETH合成相关基因会造成植物细胞中EIN3/EIL1蛋白量的增加及CTR1基因的失活，最后促使根毛伸长(表2)[62-63]。而CRT1在盐胁迫下高表达，参与盐胁迫反应[62,66]。同时EIN3/EIL1与 RHD6/RSL1相互作用调控 RSL4、RSL2，进而改变根毛表型(表2)[67]。EIN2基因突变会导致短根毛表型，并降低植物对 IAA的敏感度[68-69]。在镉和砷等重金属胁迫下，EIN2通过改变根毛长度以减少重金属摄取量(表 2)[70]。因此，拟南芥中EIN1、EIN2、EIN3是ETH调控根毛表型的关键基因[56,71]。大豆中的研究表明ETH合成上游基因 ETR1 (ethylene response mediator)、ETO1(ethylene overproduction 1)的变化对根毛表型的影响可能是通过改变ETH水平实现的(表2)[72]。EIL1则已被证明参与铁胁迫调控(表 2)[73]。此外，通过对拟南芥的研究也发现 ETH 以“双重作用”的方式影响根毛发育[61]。在决定细胞是否发育成根毛的阶段，ETH促进更多根毛细胞突起和促进顶端生长，如 ACC处理可诱使非根毛细胞转变为根毛细胞，使处理部位异位根毛显著增加[71,74],而在根毛伸长的阶段，ETH则继续促进根毛的顶端生长[75]。此外，ETH同样也是植物应对环境胁迫的关键激素，在外界环境胁迫下植物内源 ETH合成量增加[17]。这些研究结果证明 ETH在植物受到外界环境胁迫时，可能通过发挥其在调控根毛生长中的重要作用来帮助植物应对不良环境。

相比于拟南芥，水稻中 ETH的研究尤其是与根毛相关的研究较少。但相关研究表明，植物细胞内 IAA的大量积累会导致水稻产生过量的 ETH，进而对水稻根毛的伸长进行抑制[36]。水稻 RHL家族中受到OsERF1调控的RHL1及RHL4都与根毛发育相关(表2)。相关研究认为ETH在调控根毛生长过程中，很有可能需要RHL家族成员的参与，从而在水稻根毛形成过程中发挥重要的作用，但这一假设还需要分子遗传学和细胞生物学相关数据的支持[78]。

3.4 环境胁迫、IAA、ABA及ETH共同调控水稻根毛生长发育

许多研究表明胁迫相关激素ABA、ETH和IAA共同调控植物根部生长，如有研究发现拟南芥参与IAA介导的反应的IAA响应因子ARF2突变后，植株对ABA会更加敏感，而ABI4介导的ABA抑制侧根形成途径也对IAA极性转运有影响，降低根部IAA的积累[79]。以上研究结果表明IAA和ABA在调控根毛发育过程中很可能是共同发挥作用的。

在水稻 ABA信号通路研究中发现 OsSAPK10的过表达会造成水稻根毛变长，而OsABIL2基因的过表达则抑制根毛伸长，由此可以确定 ABA参与调控根毛生长(表1)[56]。ABA通过PYR/PP2C/SnRK信号通路调控IAA在根部特定部位的转运和浓度，从而间接促进根毛的伸长。如 ABA处理后，水稻植株IAA合成相关基因YUCCAs表达量与IAA浓度升高，促进根毛伸长。有关研究也确定在水稻受到外界胁迫时，ABA通过与IAA极性运输相关基因协同作用改变IAA浓度从而促进根毛伸长，以对抗外界不良环境[56]。经ABA处理后，水稻IAA转运载体OsPIN和AUX/LAX、PINOID基因表达量升高，因此 ABA应是通过调节 IAA运输相关蛋白PIN、AUX的动态平衡从而调控根毛生长[56]。对拟南芥进行ABA处理后也会导致处理部位IAA浓度增加，也佐证了ABA调控根毛生长是通过调控IAA合成和转运相关基因进行的[56]，即ABA位于IAA上游对根毛生长发育进行调控。进一步的研究发现，敲除ARF1会导致水稻萌芽期对ABA的敏感性升高，而拟南芥在外界渗透压改变的时候 ABA调控PIN2表达。此外，PINOID在拟南芥中已经被证实在根毛细胞中的表达对控制根毛的伸长有着重要作用，并受到IAA和ABA的共同影响[80-81]。而受到 IAA和 ABA共同调控的 RopGEF4和RopGEF10在拟南芥根毛中通过 ROS系统负调控ABA信号途径参与调控根毛的生长[82]。因此，在调控根毛生长的过程中，ABA和IAA之间相互调控的详细作用方式可能未必这么简单，仍需要进一步的探索，而且这也是一个值得深入研究的领域。

除了ABA和IAA之间相互影响的研究外，ETH和 IAA在控制植物根毛生长的过程中的相互关系也是一个值得研究的问题。在拟南芥中，IAA和ETH通过一系列复杂的相互作用参与对根系生长发育的调控，也包括控制根毛的细胞位置确定、根毛生长的起始和伸长等[35,83]。拟南芥中，ETH对根毛生长的调控已被证明是通过 EIN3/EIL1和RHD6/RSL1a(RHD 6 LIKE1a)路径[35]，并且可能是通过调节植物体细胞内 IAA浓度梯度从而间接调控根毛的生长[84]。

随着研究的深入，人们发现IAA和ETH之间的关系并不是简单的上下游调控关系，而更有可能是相互调控的模式。相关研究发现，在拟南芥中IAA促进ACS (1-carboxylic acid synthase) 基因的转录和ETH合成[85]，而外源ETH也可以促进IAA合成相关基因的表达，并提高IAA水平[33]。进一步的研究发现IAA合成相关的基因，如ASA1(anthranilates synthase α1)，ASB1(anthranilates synthase β1)、YUCCA、TAA1、TAR1(tryptophan amino transferaserelated protein 1)都受到ETH的调控[61,83]。此外，IAA不敏感突变体(axr2，axr3)也对ETH不敏感，具体表现为根毛起始数量减少[86]。ETH的合成过表达突变体eto1的长根毛表型也可通过阻断IAA转运载体AUX1进行抑制[35]。在根毛生长发育相关基因RHD6缺失突变中施加外源ACC或IAA可以恢复该基因突变导致的根毛数量变少的表型[87]。当ETH信号通路中关键基因EIN2发生突变，其突变体ein2-1根毛生长受到抑制，对ein2-1突变体使用NAA进行处理时，可以恢复 ein2-1突变体短根毛表型[32]。AUX1和EIN2双突变体的根毛数量要少于单一基因的突变体，因此根毛生长的起始和延长很可能是ETH和IAA共同决定的[35]。但在对控制根毛的数量和长度的 IAA信号传导相关基因 AXR2(IAA7), AXR3 (IAA17), SLR1 (IAA14) 和IAA28的突变体检测后发现，这些突变体对过量 ETH并不敏感，即这些突变体在 ETH处理后没有出现根系生长受到抑制的表型[88]。从这个角度来说，ETH和IAA又未表现出相互调控作用，因此很难简单定义ETH和IAA之间的相互作用。目前，虽然对于ETH和 IAA之间的相互作用以及各自独立的作用都有一些研究报道，但二者之间的关系还远没有明确。但根据目前已经掌握的信息，我们几乎可以确定，与ABA和IAA简单的上下游关系不同，ETH和IAA之间可能是更为复杂的相互作用关系，它们在调控植物根毛发育的过程中可能不是一个直线关系，或者在不同的条件下，它们的关系会发生一定变化。

ETH和ABA之间的相互作用是比较复杂的，目前在根毛生长发育的调控过程中，对二者之间的关系的研究相对较少，在拟南芥中，etr1-1和ein 2突变体根系对ETH和ABA都表现出抗性，在氧化应激下，ABA下游元件ABI1调控ETH合成基因ACS6，改变 ETH水平[89]。ABA也可以诱导 ETH下游ERF4的产生，而当过表达ERF4时, 植物对ABA敏感性降低[90]。这些都表明ETH和ABA之间存在相互调控作用。但ETH和ABA之间的互相调控作用是否在他们调控根毛的生长发育过程中也按照同样的模式作用还未见相关研究结果。但我们现在可以确定的是外部环境，尤其是环境胁迫可影响 ABA、ETH以及有其他与环境相关激素的水平，ABA通过改变水稻根部IAA浓度调控水稻根毛的生长发育，而ETH通过和IAA相互作用调控植物根毛的生长发育，更通过双重作用影响根毛生长的起始和伸长。而ABA和ETH在植物抗胁迫中相互影响，那么二者在外界生物胁迫和非生物胁迫条件下以某种方式共同调控 IAA水平的可能性也是不能排除的。这其实也是非常值得研究者深入挖掘的领域。

3.5 其他植物激素调控水稻根毛生长发育

除了现在已经探明在外界生物胁迫、非生物胁迫中起着主要作用的ABA、ETH和IAA以外，还有其他一些激素与水稻根毛生长相关，其中一些可能也参与抗胁迫信号通路或者与 IAA信号通路有着协同作用。

油菜素内酯(Brassinolide，BR)属于油菜素甾族化合物，是植物生长发育的必需激素。研究发现BR可以增加水稻的耐旱性，在一定的浓度范围内促进水稻根毛的生长发育，尤其浓度低时促进作用非常明显。但也有研究表明在拟南芥中 eBL (24-Epibrassinolide)即使浓度低至0.001 nmol/L也只表现为对根毛发育的抑制作用，而水稻中一定浓度的eBL促进水稻根毛生长，利用BR抑制剂BRZ后会抑制水稻根毛生长[91-92]。这些线索表明BR也在水稻根毛发育中起着一定作用，参与生物和非生物胁迫环境下根毛生长调控，但BR调控水稻根毛的具体调控路径还不清楚，而拟南芥研究中证明BR可能是在 ETH上游促进根毛生长，因为施用 GR24会促进植物根毛伸长，而施用ETH抑制剂AVG则引起根毛减少。而且 AVG引起的根毛减少不能通过施用GR24恢复也间接证明BR可能是在ETH的上游发挥作用[68]。但我们依然不能排除BR在调控细胞伸长过程中也是通过影响 IAA的调控网络发挥作用的[93]。当前BR在水稻和拟南芥根毛发育中的不同表现，仅仅是两类植物对BR敏感程度的不同，抑或是它们的 BR－根毛调控信号通路存在着很大的不同，仍是未解之谜。

茉莉酸(Jasmonate，JA)是植物体内一类非常重要的脂肪酸衍生物，它们参与调控植物的生长发育并对外界生物、非生物胁迫作出响应。JA调控拟南芥根毛发育的分子机理已有相关报道，如施用过量JA促进拟南芥根毛伸长，阻断JA调控通路则会导致短根毛表型[93]。相关研究表明，JA通过抑制RHD6转录，促进拟南芥根部根毛伸长[84]。加之ETH相关基因 EIN3/EIL1也和RHD6/RSL1共同作用促进拟南芥根毛生长， 因此JA和ETH很可能通过在同一信号通路或者共享一些关键基因来共同调控植物根毛表型。RHD6属于 bHLH (basic helixloop-helix protein)基因家族，在水稻中有 165个bHLH基因，其中部分基因在耐低温，调控营养元素(如铁离子)的吸收等方面发挥作用[94]。但目前对水稻bHLH家族研究较少，并且对该家族和植物激素相互作用的研究也有待深入。在拟南芥中发现的JA通过调控RHD6/RSL1蛋白控制根毛发育的调控通路，在水稻中也可能存在类似机制，只是尚未有相关的研究报道[84]。

通过对水稻中细胞分裂素(Cytokinin，CTK)的研究，发现CTK和IAA通过相互调控[95]，影响水稻根毛的发育。外源6-BA在抑制水稻根生长的同时，根毛的发育也受到抑制[96]。其可能是通过水稻中信号转导调控[97]。水稻中 CTK双元组分信号系统已鉴定 37个基因，其中，CTK响应因子 CRF(cytokinin response factor) 通过一个特殊的PINCTK响应元件 PCRE (pin cytokinin response Element) 调控IAA运输载体PIN的转录[98]，即CTK通过PIN调控水稻生长素的转运。用6-BA处理水稻后可影响水稻根毛的表型[96]，下调水稻根部OsAUX的表达，推测 CTK可能通过同时调控OsAUX1和 OsPIN调控根毛的表型[96]，但在OsAUX1启动子上并未找到CRF的结合序列，由此判断，CTK对OsAUX1的调控可能是以间接的方式，或者需要其他激素的参与，但目前尚缺少直接数据支持。水稻中也发现受到参与 CTK调控水稻根毛生长的OsWOX11在干旱胁迫下表达增加并提高水稻抗旱性，说明 CTK可能在环境调控根毛这一过程中起着重要作用(表1)[99]。

在拟南芥中CTK能够增加ACC稳定性并提高ETH的水平，IAA和ETH也能够恢复CTK过表达造成的短根毛表型。此外，在IAA和ETH缺失的情况下，CTK也能够促进根毛的伸长[35]。以上结果暗示着IAA、ETH、CTK组成的网络在拟南芥调控根毛的生长发育过程中的作用是相当复杂的，对该调控机制的了解还远远不够。而在在水稻中是否有类似的调控网络，其与拟南芥对应的调控网络相比有何区别，有哪些基因参与其中等仍有待探索。

独脚金内酯(Strigolactone，SL)是近年来才发现的一类通过类胡萝卜素合成途径合成的植物激素[100]。研究表明，SL可能通过控制细胞内IAA输出载体PIN的水平来调控植物的分枝数量、不定根的数量及根毛的数量和长度[68,101]。反之，SL的合成亦受到IAA的调控，由此两者的合成、转运构成了一个反馈抑制通路[102]。

此外，有研究表明SL在植物面对外界磷水平变化时，在决定植物根冠比、植物侧芽及侧根的生长等过程中也发挥着关键性的作用。在磷充足的条件下，SL抑制植物侧根的形成；而在磷不足条件下，SL则会促进侧根的形成以帮助植物获取更多的磷[103]。在低磷水平下，IAA受体基因TIR1 (transport inhibitor response 1) 的表达水平会升高以提高植物对 IAA的敏感性(表 1)，而在 SL信号通路 max2 (More axillary growth 2 )突变体内，TIR1的表达水平反而会降低，这说明SL与IAA在磷不足条件下共同控制根毛伸长[29]。不止于此，外源SL可促进拟南芥根毛的伸长生长，而且这种促进作用除了必须有MAX1 (more axillary growth 1)基因的参与，还要依靠IAA和ETH信号通路的共同参与，但MAX2 或者SL对于IAA发挥对根毛生长发育的调控作用却不是必需的[68,101,103-104]。整体而言，作为一种新发现的植物激素，目前认为SL在水稻中的作用主要是控制分蘖和不定根的数量及在氮、磷不足条件下控制主根及不定根的长度和数量[105-106]，至于SL是否如在拟南芥中一样参与根毛发育的调控，又是如何实现这种调控的都有待于进一步的研究。

4 展望

水稻生长发育的过程也是它们不断对抗、适应生物胁迫和非生物胁迫等不利环境的过程。这些环境的变化激活植物体内与胁迫相关的植物激素如IAA、ABA、ETH、GA3、JA、BR、SL等，随后这些激素调控水稻体内的细胞、生理、生化反应。这个过程对于保障水稻的生存及生长发育有着极其重要的意义。当前关于生物和非生物胁迫影响水稻生长的研究集中于植物地上部分和地下部分整体的研究，对于根毛的研究相对较少。根毛的延伸对于水稻获得更多的营养元素，提高营养物质吸收效率，增加水稻的抗逆性有着极为重要的作用。深化“环境－激素与遗传因子－根毛形态发育”三者之间联系的研究对于突破水稻根毛研究的瓶颈，了解水稻的抗逆机理，为育种学家的定向育种工作提供更多的遗传学材料和依据都有重要的意义。

当前通过研究不同外界环境变化导致水稻的根毛表型及相关信号通路变化，发现ABA、ETH、IAA激素在外界胁迫改变根毛表型中可能起着核心作用。ETH与IAA共同作用控制根毛定位、数量，ABA与IAA共同作用控制根毛伸长[56]。在以上激素调控根毛发育的过程中，主要环节包括水稻体内的ABA、ETH激素水平变化、调控IAA信号通路中运输载体PIN和AUX基因表达量或者蛋白质特性的变化及根部IAA水平的变化等。这些变化最终促进水稻根毛的形成或者伸长生长，当然 YUCCA基因也可能是其中重要的一环[107]。

在根毛发育调控发挥核心作用的三种激素中IAA信号通路研究最为清楚，ABA和ETH其次，其中关于ETH和IAA相互作用的研究以及ABA与根毛相关的研究经验值得借鉴。此外，研究中也发现CTK也可能通过双元组分系统和IAA、ETH相互作用[98]，那么 CTK是否又会在胁迫改变水稻根毛表型中起着一定的作用，这些都是需要我们进一步了解的。

一般认为，在激素调控网络下游的基因，尤其是负责细胞壁松弛基因如 OsEXPA17，负责细胞骨架构成的OsFHs，负责细胞壁多糖酶OsCSLD1及负责磷脂转运的OsSNDP1等基因由于在激素下游，突变后是不能通过植物激素恢复它们根毛缺陷表型的，但在我们研究中发现OsFH1突变后在不同环境影响下，根毛表型有一定变化[9]，因此在植物抗胁迫路径中可能还有一些我们尚未关注到的植物激素或者激素以外的因素参与调控根毛表型[108-109]。与此同时，随着测序技术的发展，水稻根部特异表达的基因也经过测序、GO富集分析筛选到一些可能参与根毛生长调控的基因，但这些基因的具体功能还需要通过遗传学的研究加以验证和分析[110]。

与拟南芥相比，无论是对于参与调控根毛发育基因的研究还是环境因子和激素在水稻根毛发育中的作用，相关研究都有很多空白。因此未来对于“环境－激素与遗传因子－根毛形态发育”之间关系的研究大致可集中为以下几个方向：1)探索在逆境胁迫条件下，ETH、ABA、IAA三者构成的复杂调控网络中尚未发现的关键基因和调控通路；2)深入分析JA、BR、SL等在根毛发育方面研究相对较少的激素；3)进一步深入研究无法用已知的激素信号通路或者遗传调控通路解释的基因及环境因子对水稻根毛的调控作用。