植物激素调控顶端分生组织发育的研究进展

胡庆毅，陈本佳，杨立凡，马永海，李沁妍，李庆懋，黄立钰

（云南大学农学院资源植物研究院，云南 昆明 650000）

高等植物的器官形成离不开分生组织（meristem）。分生组织是在植物体的一定部位，具有持续或周期性分裂能力的细胞群，又被称为植物干细胞。由其分裂产生的细胞排列紧密，无细胞间隙；其中一小部分仍保持高度分裂的能力，大部分则陆续长大并分化为具有一定形态特征和生理功能的细胞，构成植物体的其他各种组织，使器官得以生长或新生[1]。分生组织在植物体内根据分布位置主要分为顶端分生组织和侧生分生组织。其中，顶端分生组织发育为根、茎，使植株得以伸长生长，侧生分生组织则形成腋芽（axillary bud meristem，AM）和侧根（lateral root，LR），进而产生新的分枝并重新建立顶端分生组织和侧生分生组织。在高等植物的发育中，胚胎从纵轴两端到胚胎两端分别形成特殊区域，即茎端分生组织（stem apical meristem，SAM）和根端分生组织（root apical meristem，RAM）[1]。分生组织的存在保证了植物整个生长发育过程的可塑性，通过干细胞的分裂和分化产生新器官所需要的子细胞[2]。

1 植物顶端分生组织的结构特征及核心调控基因

分生组织的发育主要依赖于植物干细胞的分化，干细胞分化后的一部分子细胞经分裂分化形成新器官，一部分始终保持自身未分化状态，并在分生组织中心区域内维持干细胞的自我更新[3-4]。

SAM 形成于胚胎发育的早期阶段，结构上分为中央分生组织区（central zone，CZ）、肋状分生组织区（rib zone，RZ）和外缘分生组织区（peripheral zone，PZ）。CZ 区由全能干细胞组成，处于未分化状态，细胞分裂周期长，分裂频率低，由外向内分为L1、L2、L3这3 个不同的胚性细胞层，分别形成表皮、皮下组织以及芽的相关内部器官；RZ 区为维管分生组织提供细胞支持；PZ 区是进一步细胞分裂、分化发育成为侧生器官的核心区域[5]。CZ 区需要提供干细胞补充到PZ 区和RZ 区，CZ 区和RZ 区之间还存在一个组织中心（Organization center，OC）区域，它介导不同区域间信息的传递和干细胞的维持（图1A）。SAM 中央区的组织中心细胞和其上方的干细胞构成的干细胞微环境是维持分生组织的结构基础。wuschel（WUS）基因受生长素的诱导，是体细胞胚胎发生过程中干细胞更新的关键，并维持未分化干细胞自我更新的平衡[6]。WUS 蛋白作为建立SAM 的一个重要调控因子，在WUS 表达区域内维持SAM 组织中心干细胞的数量，同时和clavata3（CLV3）形成负反馈调节机制以维持SAM 的大小[7]；STM（SHOOT MERI STEMLESS）在维持茎端分生组织中干细胞的产生也是必需的，它在整个茎端分生组织中的表达阻止了干细胞向器官特异性细胞的转化[8-9]。

RAM 邻近根冠，由根端静止中心（quiescent center，QC）与根端干细胞区域组成。QC 位于RAM 的根端并在该区域衍生出根端干细胞，根端干细胞产生子细胞，子细胞随后分化成为过渡区细胞的成员（图1B）。因此，干细胞分裂和分化速度之间的平衡对维持根端分生组织至关重要。在静止中心的形成和根部干细胞的建立过程中，主要受依赖生长素信号的plethora（PLT）途径和不依赖生长素信号的shortroot（SHR）/scarecrow（SCR）途径的调控[10-12]。其中PLT基因编码了含有AP2（apetala2）结构域的转录因子，可以促进细胞分裂；SHR激活SCR的转录，SCR通过细胞自主性机制维持QC 的稳定[13]。QC 作为根发育中心的同时也是RAM 确立和维持的必要条件，在胚根或侧根形成的早期原基细胞中开始分裂，最终形成根分生组织的早期结构。侧根分生组织是从根顶端分生组织外更远的内皮层开始的，在分生组织的OC 内干细胞分裂分化形成侧根原基（lateral root primordia，LRP），继而发育成为LR。研究发现wuschel homeobox5（WOX5，在QC 细胞中表达）和PLTs（在QC 周围的干细胞中表达）是干细胞形成和维持的主要调节因子，在生长素信号下游起作用，以维持根端干细胞的活性[14]。

图1 植物茎端（A）和根端（B）分生组织

2 生长素、细胞分裂素调控分生组织的作用及相关信号途径

生长素（auxin）和细胞分裂素（cytokinin，CTK）是植物体内2 类重要有机化合物，调节着细胞分化、生长方向、发育过程以及植物生命活动等过程。植物形态结构的形成是植物适应环境并长期进化的结果，植物在生长发育过程中，感受外界环境信号，传递并影响生长素和细胞分裂素等激素的合成、运输、信号传递和代谢，进而影响植物分生组织的维持和分化。生长素在SAM 中抑制细胞分裂而促进细胞分化，而在RAM 中，生长素引导分生组织细胞分裂；细胞分裂素在SAM 和RAM 中均可以通过抑制生长素响应信号阻碍细胞分裂，并促进细胞从分裂状态向分化状态转变[15-16]。

2.1 生长素对植物分生组织的调控

2.1.1 生长素的合成及运输 生长素（auxin）在植物体内主要以吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）形式存在[17]。IAA 的生物合成主要有色氨酸依赖型和

非色氨酸依赖型2 种途径。其中，色氨酸依赖型途径是植物体内IAA 的主要合成途径，TAA1（tryptophan aminotransferase of arabidopsis 1，TAA 家族）催化色氨酸生成吲哚丙酮酸（indole-3-pyruvate，IPA），进而由YUCCA（YUC 家族）催化IPA 生成IAA，并参与器官的形成[18]。生长素除了在植物体内原位合成发挥作用外，还能运输到其他部位，使植物组织器官的生长素浓度产生差异，进而发挥作用[19]。研究表明，生长素运输包括长距离运输和短距离运输，主要有吲哚-3-乙酰胺（IAM）途径、吲哚-3-乙醛肟（IAQx）途径、色胺（TAM）途径和吲哚-3-丙酮酸（IPA）途径4 种运输途径。长距离运输是指生长素从合成部位（如茎端分生组织）运输到其他组织的运输，例如顶端优势的作用机制：生长素在茎顶端分生组织合成，向下运输，进而抑制侧生分生组织的生长发育；短距离运输为细胞之间的单向极性运输，主要通过生长素转运蛋白pinformeds（PINs）进行生长素细胞间运输，形成生长素的梯度分布从而调控分生组织发育[20-21]。

2.1.2 生长素信号调控途径 生长素合成并运输至分生组织区域达到最适水平，通过Aux/IAA-ARF 信号途径激活下游生长素响应基因，从而调节分生组织的发育[22]。在分生组织中，生长素可以通过抑制分生组织细胞分化基因shoot meristimless（STM）的表达，进而抑制拟南芥A 型调节因子ARR7/ARR15和叶极性基因PHAN的同源基因AS1、AS2（asymmetric leaves1、asymmetric leaves2）在分生组织CZ 区和PZ 区的表达，最终抑制器官原基的产生（图2）。

图2 植物激素和相关基因的调控关系

高浓度的生长素会抑制植株侧生分生组织的发育，而适当的生长素浓度则可促进侧生分生组织的发育，并通过向外运输PINs 加快侧原基的形成。生长素还可以调控根的形成、增殖、伸长和分化，通过PLT、ARF、SCF、LBD等基因来维持RAM 的稳定性，并调控侧根分生组织的发生。LBD家族转录因子JLO（jagged lateral organs）一方面可以抑制PIN1的表达使生长素在内皮层积累，促进中柱鞘细胞的增生使其发育成侧根原基[16,23]，另一方面可以通过调控生长素受体TIR1、AFB1和同源异型盒基因KNOX1的表达，控制茎端分生组织的生长发育[23]。生长素响应因子ARF10/ARF16负调控wuschel-related homeobox5（WOX5），并将其表达区域限制在QC 区域，从而抑制PLT基因的表达以影响干细胞的分化，进而影响根端分生组织的形成及发育。生长素还可通过负调控SCFTIR1复合物的形成抑制ARF7/ARF19的表达，进而促进细胞在根端分生组织的不对称分裂以形成侧根原基[16,24]。

2.2 细胞分裂素对植物分生组织的调控

2.2.1 细胞分裂素的合成及运输 细胞分裂素（cytokinin，CTK）在种子萌发、细胞分化和器官发育等植物发育和生理过程中都发挥了重要作用[25]。细胞分裂素关键合成酶主要有异戊烯基转移酶IPT、细胞色素单氧酶P450（CYP735A1、CYP735A2）和细胞分裂素激活酶LOG[26]。在分生组织区域，细胞分裂素的生物合成还受STM的影响，STM通过诱导IPT7的表达来促进细胞分裂素的生物合成[27]。在SAM 中细胞分裂素通过KNOX1（knotted1-like homeobox1）蛋白介导运输，并且负调控生长素的转运从而影响叶原基的形成，同时还通过KNOX1 维持着分生组织的活性，调控植物器官的形态建成[27]。

2.2.2 细胞分裂素信号调控途径 细胞分裂素主要通过依赖CLV3 和依赖AHKs 的信号调控途径，进而影响STM、IPT7的表达量，实现对植物分生组织的调控。细胞分裂素以AHKs 介导的途径诱导WUS和CLV3，进而促进SAM 的形成[28]。同时，细胞分裂素激活酶LOG 可将细胞分裂素前体的一种非活性反式玉米素-糖甘转化为活性细胞分裂素，在STM 启动子的控制下，促进细胞分裂素合成关键基因IPT7的表达，从而促使侧芽的形成（图2）。

拟南芥中有14 种细胞分裂素信号响应蛋白，其中有8 种A 型调节蛋白ARR 是细胞分裂素转导的负调节因子，有6 种B 型调节蛋白ARR（ARR1/2/10/12/14/18）是细胞分裂素响应的正向调节因子[29]。细胞分裂素B 型应答因子可直接激活茎尖干细胞，并稳定WUS基因的表达水平，从而维持干细胞的活性[30]。细胞分裂素通过AHK2/AHK4 依赖途径和CLV 依赖途径来诱导WUS基因的表达，从而实现对茎端分生组织的调控；而WUS基因在异位表达时却能够激活CLV3的表达，导致茎分生组织增大；说明二者之间通过负反馈调节机制共同调控分生组织的发生[31]。WUS 蛋白从组织中心OC 区域转移到CZ 区，在CZ区中它直接与CLV3启动子结合影响CLV3的表达[32]。

3 生长素和细胞分裂素互作调控分生组织的发生与发育

生长素和细胞分裂素间的拮抗作用是顶端分生组织或侧生分生组织器官发育起始的关键调控因素[24]。在植物分生组织的发生过程中，生长素、细胞分裂素的相互作用主要是通过WUS-CLV3的反馈调节机制、不同比例的CTK/IAA 水平、B-ARR 和A-ARR 介导的激素响应及运输等一系列途径来调控分生组织和相关器官的形态建成（图2）。

在植物SAM 中，生长素通过影响STM的表达来上调细胞分裂素合成关键基因IPT7的表达，促进细胞分裂素的合成，并激活AHKs 途径和细胞分裂素信号应答基因ARR7/ARR15以促进WUS-CLV3通路间接调控干细胞的增殖分化（图2）；WUS 可以直接抑制ARR7/ARR15的表达，是细胞分裂素信号的有效调节因子，还可直接调控细胞分裂素和生长素相关基因，控制生长素和细胞分裂素之间的平衡[33-34]。在植物RAM 中，MP 是激活QC 特异性WOX5基因和生长素响应基因PLT的调节因子，调节生长素信号介导分生组织模式的建立。另外，生长素可以通过单肽转录因子（monopteros，MP）介导的途径来抑制细胞分裂素的生物合成，从而触发器官原基的启动；而MP/ARF5作为生长素信号的整合因子，使生长素信号和细胞分裂素信号在调控网络中有机结合以参与SAM 的形成和维持[8]。

SAM 的形成与生长素的梯度和WUS表达水平密切相关，细胞分裂素的局部合成是细胞分裂素区域分布和WUS表达所必需的，是体细胞胚胎发生过程中SAM 形成的必要条件。细胞分裂素可以调控生长素的合成、运输并在侧原基起始时期扰乱生长素输出载体PIN 的表达模式，从而间接调控生长素的合成。细胞分裂素B 类调节因子B-ARR 则通过抑制YUCCA基因的表达来降低生长素的积累；另外，B-ARR 还可以结合到生长素合成基因TAA1启动子上，激活TAA1的表达从而调控生长素的生物合成[35]。

侧生分生组织发育也受生长素和细胞分裂素共同作用调控。拟南芥叶腋处ATH1基因通过诱导分生组织STM的表达，维持了叶腋分生细胞的特征；另外，ATH1 蛋白能够与STM 蛋白发生互作，形成一个STM基因的自激活回路[36]。ARR7/ARR15 在生长素的介导下负调控细胞分裂素的产生，PIN 蛋白介导的生长素运输也会抑制细胞分裂素的产生，从而影响侧生器官的形成。例如：TB1基因在水稻、玉米中对侧枝的发育起负调控作用，主要通过调控生长素的运输来调节生长素的水平，并参与腋分生组织的调节过程[37]；在拟南芥叶腋处，随着生长素和细胞分裂素水平的提高，SPS（supershoot）和BUS（bushy）基因的表达水平提高，并通过反馈调节相关激素水平来调控植株腋分生组织的发育[38-39]。

在RAM 中由AHK3/ARR1 介导的细胞分裂素响应信号途径通过生长素抑制因子short hypocotyl 2（SHY2）负调控IPTs 的表达，从而影响细胞分裂素的合成，来促进根的伸长[40]。在侧根分生组织发生过程中，维管柱内中柱鞘对生长素的运输和信号感知的差异将引发不对称的细胞分裂，从而形成侧根原基，继而形成侧根。在这一过程中细胞分裂素通过抑制生长素转运蛋白PINs 的表达以及生长素的梯度分布来负调控LRP 的发生[41]。CTK 通过依赖细胞分裂素受体AHKs 途径介导细胞分裂素响应信号，控制分生组织的大小，并负调控PIN基因，从而促进侧根形成[8]。拟南芥细胞分裂素B 型调节因子ARR1 介导RAM 调控以及侧生分生组织的形成，ARR1 在中柱鞘激活SHY2的表达，以抑制生长素转运蛋白PINs 的运输，从而减缓侧根原基的形成，并抑制侧根分生组织的发生[42]。

4 其他植物激素对分生组织发生的影响

脱落酸（abscisic acid，ABA）除了在植物抗逆境和胁迫耐受性中发挥重要作用外，还可以通过脱落酸转运蛋白NRT1、DTX50、ABCG25 等将ABA 运输至植物生长发育的各个部位，从而实现对植物生长的调控[43]。在植物正常生长时，顶端形成的生长素促进相关诱导基因的表达和蛋白的抑制，而在顶端优势去除之后，顶端不能合成足够的IAA，细胞分裂素合成基因IPT开始表达并大量合成细胞分裂素，降低ABA水平，从而解除腋芽的休眠，促进芽的生长。

茉莉酸（jasmonate acid，JA）通过茉莉素转运蛋白JAT1/ABCG16 的运输使其在核内外形成浓度差，从而抑制主根的伸长[25]。茉莉素通过激活生长素生物合成基因anthranilate synthase a1（ASA1）的表达来调控生长素的主动运输，从而控制侧根的形成。而茉莉素响应因子MYC2 抑制生长素响应基因PLT1/2的表达，并调控IAA-PLT1/2 介导的RAM 的形成。另外，茉莉素可以诱导受伤部位快速积累生长素，从而改变损伤处的植物干细胞功能，并形成侧原基[44]，具体表现为MYC2 结合在PLT1/2的启动子上抑制其表达，从而影响主根的伸长，促进侧根的发育。同时茉莉酸调控转录因子ERF109可以促进生长素合成基因YUUC2的表达，从而促进生长素的生物合成以促进侧原基的形成[45]。

赤霉素（gibberellin，GA）在分生组织发育中也发挥了重要作用。STM 可以激活茎端分生组织和侧生分生组织边界的GA2ox2（GA20-oxidases2）的表达，导致赤霉素的活性丧失，从而影响侧生器官原基的形成[46]。在SAM 中KNOX1 抑制赤霉素的合成而促进细胞分裂素的合成以维持分生组织的大小，是植物分生组织发育的关键调控因子[47]；相反的是，细胞分裂素通过刺激GA2ox2的表达并负调节KNOX1，而促进侧生分生组织的发育[48]。

独脚金内酯（strigolactones，SLs）作为一类由类胡萝卜素衍生而来的新型植物激素，在植物根部产生，并沿茎干向上运输，从而抑制植物的分枝发育。水稻D3/14/53（dwarf3/14/53）作为独角金内酯的受体基因和F-box 家族基因的MAX（more axillary growth）一起参与SL 的生物合成和信号转导。D3/314/53、MAX1/2/4则通过调控独角金内酯的合成和转导来抑制分枝的发育，D10编码的类胡萝卜素裂解双加氧酶8（OsCCD8）受生长素的诱导，从而控制水稻侧芽向外伸长，而OsMAX1则通过编码OsCCD7来抑制水稻腋芽分生组织的生长[49]。

5 植物激素调控分生组织的展望

分生组织的维持和发育是器官形态建成的基础，同时也是挽救植物机械损伤或自然损伤，以保证植物正常生长和作物产量的一种植物生存机制。在植物分生组织的发育过程中，生长素和细胞分裂素通过相互协同或者拮抗作用来共同调控分生组织的维持与发育，并且通过调控生长素/细胞分裂素的不同水平来实现对SAM、RAM 的促进或者抑制。在整个分生组织的发育过程中ABA、GA、JA、SLs 等通过协同或拮抗生长素和细胞分裂素的合成、运输，响应信号途径，从而实现对分生组织发育的调控。目前众多研究已经揭示了植物激素在细胞增殖和新器官产生中的重要作用，初步明确了维持干细胞和植物器官发育的平衡机制，并且对于生长素和细胞分裂素的合成、运输、信号转导途径及其调控顶端分生组织发育的机制已经比较清晰。

在植物分生组织发育的调控途径中除了文中所述几种激素的调控途径外，还存在其他的信号调控途径的协同作用。在植物的整个发育进程中，所有器官的产生都来自于分生组织内细胞的分裂、分化活动，并贯穿于植物生长发育的整个生长周期。因此，进一步明确顶端分生组织的调控方式对植物生长发育意义重大。植物体内生长素的梯度分布影响了侧根、侧芽的起始以及侧根原基的发育，但生长素梯度的差异是如何转化为不同的信号输出并影响侧生器官的形成还有待进一步研究；脱落酸是否受生长素表达水平的限制或诱导降解为非活性物质从而影响植物分生组织的形成，这一机制还不清楚；独角金内酯除了调控植物侧枝的形成外，还通过抑制植物下胚轴的生长来限制茎的伸长，它通过抑制生长素的合成来影响茎的负向地性的作用机制目前正在解析中。另外，植物激素调控分生组织形态建成的途径仅在拟南芥等模式植物中研究得较为清楚，但对复杂植物组织分化现象的解释还不够，而更加深入研究植物激素调控分生组织发生及发育的分子机制，并将之扩展至各作物中去，将为进一步提升农作物产量和品质提供遗传和理论支撑。

目前，利用野生近缘种培育多年生作物是解决农业生产和生态环境安全的重要手段，具有广阔的应用前景。一年生作物（栽培种）收获后，腋芽再生率或成活率低，表现为随作物驯化过程慢慢被弱化，腋芽再生相关机制及野生种向栽培种的驯化机制还缺乏相关研究。分生组织的形成在作物驯化过程中受到人工选择的影响，从而衍生了许多对分生组织调控途径的研究，期待解析更多关键调控途径来进一步提高生产效率和作物产量。因此，综述植物激素对顶端分生组织发生和发育的调控，对未来研究植物顶端优势的去除、植物腋芽的再生以及越冬休眠机制具有指导性的意义。