植物根毛形态发生及发育调控研究进展

植物根毛形态发生及发育调控研究进展

根是植物的重要器官。目前，许多对根毛的研究是基于植物模型的南效应植物。随着更基因组学的发展，它有助于深入研究植物根毛的生长和发育。1拟南越界根表皮细胞的形成根是植物生长发育的重要器官。根主要由根冠区、分生区、伸长区、根毛区(分化区)组成。根毛是根表皮细胞向外突出的、顶端密闭的管状结构,根毛的生长速度和生长周期在不同的个体间差异较大。植物表皮细胞在大小、形态、组成和功能上有很大的变化,其中一个基本的特征就是具有不同的细胞识别分化途径。根毛能增加根的表面积,通常被认为能够帮助植物获取营养,固定和交换与微生物之间发生反应。拟南芥的根表皮细胞分生长成根毛和其他的保持无毛的表皮细胞,已经成为研究植物细胞间的分化机制的模型。在植物细胞发育过程中,细胞从分生组织诞生,接着变成与命运相关的特异性细胞,最后通过一系列的形态发生导致完全不同的细胞。拟南芥根表皮细胞是由一套16个在胚胎器官发生时形成的初始细胞形成,皮层细胞和内皮层细胞的数目固定在8个,主根由中心的根冠、表皮、皮层、内皮层和围绕微管组织的表皮换组织组成。植物根毛生长发育过程包括表皮细胞特异化、发生、顶端生长和成熟4个阶段。1.1成根毛细胞分离植物根表皮细胞分化形成根毛的类型有两种:第一种是几乎所有的根表皮细胞都能够分化成根毛;第二种是只有部分根表皮细胞能分化成根毛。植物根毛发生发育主要有两个方式:细胞分化的位置决定模式(position-dependentpatternofcelldifferentiation)和反馈侧向抑制(lateralinhibitionwithfeedback)。1.2小发展p结合蛋白根毛形态发生的首先一个明显特征是在根毛生长的位置形成一个凸起。根毛细胞在分生区产生后,表皮细胞通过弥散生长使根毛细胞在三维空间扩展。在根毛生长开始之前,一些Rop家族的小GTP结合蛋白出现在生长位点。在很短的时间内Rop蛋白定位在根毛细胞壁直到发生膨胀,同时细胞壁的pH下降,pH的下降活化了膨胀蛋白而催化了细胞壁的疏松。由于细胞壁多体结构的变化或者是离子交换的能力,质子ATPase的活化或其它质子传送能力而造成这样的变化。当膨胀扩大时,内质网在膨胀内浓缩,肌动蛋白积累。在最合适的条件下,一个根毛从膨胀形成到出现在细胞的表面大约30分钟。1.3根毛生长和细胞增长的变化根毛膨胀形成后,接下来便是顶端生长。这类型的细胞生长类似于管状的细胞壁细胞生长如花粉管。当顶端生长时,一些新合成的细胞壁物质被准确的分泌到细胞的顶端。位于管内的细胞质高度组织化,顶端由细胞壁多糖和细胞壁物质的膜泡组装。这些小泡是由位于生长点后丰富的光滑内质网、粗糙内质网和高尔基体产生。肌动蛋白在通向顶端生长的顶端累积。顶端生长的速度是很快的,拟南芥根毛生长的速度大约1µm/min,快速的产生和结成小泡。通过细胞质的流动,大量的细胞内含物移向根毛。根毛生长需要Ca2+。在根毛顶端的钙离子流是控制根毛定向生长机制中的一部分。当人为的增加顶端一侧的钙离子浓度时,根毛将重新开始确定生长的方向另外微管同样控制着根毛生长的方向。细胞壁内部的压力用来维持细胞的生长。如果管压太低,细胞质将不能舒适的靠着细胞壁而位于质膜和细胞壁之间。另外,一些植物细胞的生长是在细胞质膜拉紧时依靠离子通道来活化的。Lew利用压力探针和渗压剂用于表明管压是被渗透明显的变化来改变的而不是内部的压力。当根毛生长到一定的长度时,其顶端便停止生长。末端的生长被精确的控制和协调,首先产生了一个立体的圆盖形顶端,其直径同根毛直径相同当根毛停止生长时,顶端的细胞质和液泡便扩大到圆顶中;Rop蛋白,钙离子和钙离子通道都在顶端消失。2根毛的分子调控基础2.1非毛细胞细胞拟南芥根表皮的发生为研究植物细胞识别提供了一个简单的模型。这包括两种类型的细胞,生毛细胞(trichoblast)能够产生根毛;非毛细胞(atrichoblast)则不能形成有毛的细胞。拟南芥根毛的发生是由位置效应决定的,位于皮层2个细胞之间的表皮细胞即H型细胞可以发育形成根毛,而仅仅与一个皮层细胞相连的表皮细胞即N型细胞,往往只能发育形成为非毛细胞。2.2cpc和gl2对根表皮细胞命运的影响目前已经证实了许多拟南芥突变体具有不正常的根表皮细胞类型(表1)。其中WER,TTG和GL2能够促进非毛细胞的分化或者是抑制根毛细胞形成[13~15]。WER基因编码R2-R3类的MYB转录因子,它最初在表皮细胞的N位置表达。TTG基因编码一个具有WD40重复的小蛋白,其激活拟南芥同源的玉米RbHLH转录激活子。GL2编码一个同源异型结构域(homeodomain)转录因子,优先在根分生区和延伸区的非毛细胞位置表达。另一个基因CAPRICE(CPC)以不同的方式影响根表皮细胞识别方式,与上面3种突变体不同,cpc突变体表现为根毛数目的减少。CPC在毛细胞发育调控中起积极的作用,或者说对非毛细胞发育起抑制作用。例如:它促进根毛细胞的发育。CPC同样是MYB家族的一员转录调节因子但是由于缺失转录活化域,可能作为一个转录抑制因子,抑制基因促进非毛细胞密度。有趣的是,gl2突变对cpc具有上位作用,表明CPC作用在WER/TTG/GL2途径中作为GL2的负向调控子。Lee和Schiefelbein对控制拟南芥根表皮细胞命运提出了一个简单的模型。这个模型主要建立在CPC和WER两个竞争的转录因子的相互关系之上。这两个转录因子都能同TTG和R-likebHLH蛋白结合形成一个复合体。在成熟表皮细胞的N位置,认为WER相当高水平的出现并导致GL2的表达而出现促进非毛细胞的分化;在成熟表皮细胞的H位置上,由于CPC高水平的存在抑制了GL2的表达从而出现根毛细胞的分化。失去功能的植物纯合子突变型wer具有根毛的表型,例如所有的表皮细胞发育成根毛,表明WER是非毛细胞发育的阳性调节子。在植物纯合子wer分生组织的表皮细胞都能明显区分,他们是没有完全分化的生毛细胞和非毛细胞。WER蛋白是MYB家族转录调节因子的一个成员,它在涉及非毛细胞发育中转录必需和在非毛细胞中表达,CPC和WER都在根原始表皮细胞中表达。Schiefelbein指出,根表皮细胞分化过程中存在两条途径:一是TTG/WER/GL2途径,该途径将原初细胞特异化形成非生毛细胞;另一个是CPC/TRY途径,该途径通过抑制原初细胞特异化,从而促成生毛细胞的形成。2.3与根毛相关的遗传因素2.3.1rhd6突变体的结构许多基因与根毛发育体积有关,如RHD6基因影响根毛细胞膨胀点数目,rhd6突变体表现为几乎没有根毛,而另一个编码钾离子通道的基因TINYROOTHAIR1(TRH1)有时却出现多个膨胀点现象;另外根毛缺陷型1(rhd1)和tip1突变体植株有更大的膨胀点。2.3.2lrx1和双向荧光定量因子t根毛生长能够达到40µm。缺失ROOTHAIR-DEFECTIVE2(RHD2),SHAVEN(SHV1),SHV2,SHV3TRH1,或KOJAK(KJK)基因功能的根毛在顶端生长之前的阶段便停止生长[22~24]。LRX1是一个与延伸蛋白同源的富含亮氨酸细胞壁蛋白。LRX1调节细胞壁的扩充,其定位在延伸根毛的细胞壁中表达。有趣的是光信号同样能够影响根毛的长度,无论phyA或是phyB光敏色素基因在光下都能影响根毛的长度。拟南芥根毛很少有分支的情况。突变体植株SUPERCENTIPEDE1(SCN1),CANOFWORMS1(COW1),TIP1,CEN2,CEN1,BST1,RHD3或RHD4基因比野生型的植株具有更多的根毛分支。2.3.3生长素信号机制AUXINRESISTANT2(AXR2)编码一个假定的生长素反应转录调节子AXR2/IAA7。AXR2基因突变降低了根毛对生长素反应,从而导致根毛的减少。axr2-1突变体比野生型更接近细胞的基底位置这很类似于rhd6突变体的表型,推测是生长素信号促进细胞顶端根毛的产生。在顶端生长过程中生长素信号可能具有微弱的作用,auxinresistant1(axr1)突变体植株的根毛在这个阶段停止生长。AUXINRESISTANT1(AXR1)编码RUB1-激活酶的一个亚基,这个酶在生长素反应的蛋白降解过程是必需的。ETR1编码一个乙烯受体AXR1编码生长素信号机制的一个成员。AUX1编码一个生长素流动载体和生长素信号刺激延伸。乙烯在拟南芥根毛发育过程是一个阳性调节子。乙烯能够促进大多数植物根毛的生长。乙烯在根毛形成中可能起到双元作用。一方面可能在根毛的发生中促进非毛细胞发育成毛细胞,另一方面在根毛的延伸阶段促进毛的生长。3根毛与营养成分的关系3.1磷对根毛的影响根毛一方面帮助根吸收营养,但另一方面,外界营养条件如磷、铁、镁和锌对根毛的形成和发育起着调节作用。拟南芥的根毛受磷的刺激,获取磷的机制已经阐明。已经从马铃薯中克隆了高效磷传送基因(LePT1),表明在根毛表达中有高的表达。酵母表达研究表明,这类传送归类于一个H+/symporter同H2PO4-出现在主要的离子类通道,但同HPO42-,NO3-SO42-结合不能传送。尽管信号传导终止,但导致磷介调的增加根毛的长度和密度,Lynch证明其控制可能是在细胞水平,同信号途径涉及的激素如乙烯和吲哚乙酸相同。关于磷有效性影响根毛形成和延伸的机制已经有了一些推论。在对拟南芥的研究中,提出了低磷增加根毛密度的几种机制:促进更多的生毛细胞形成;促进生毛细胞形成更多的根毛;促使非生毛细胞转变为生毛细胞和降低生毛细胞的长度等。关于NH4+和NO3-,在已经有清楚的电生理学和分子证据说明根毛能够传送N-化合物。从马铃薯克隆的NH4+和两个假定的低亲和力的NO3-,揭示了这些基因在根毛特异表达(LeNRT1-2andLeAMT1)并被外源提供的氮源调节。假如NH4+传送LeAMT1,它属于组成型表达并可能由于NO3-的出现而下游调节。利用pH-敏感荧光染料间接的表明NH4+的获取发生在添加后的N-饥饿状态的根中,这同分子研究的结果一致。3.2根毛对获得营养成分的影响根毛的主要作用是增加根的表面积,从而利用土壤中的营养成分。在营养条件较差的情况下,植物就萌发更多更长的根毛来帮助获取营养。3.3根瘤对根瘤菌细胞生物学过程的影响根毛与根瘤形成有密不可分关系,Ehrhardt等证实了根毛是根瘤菌侵染的直接部位,根毛参与根瘤菌节瘤因子(nodfators,NF)诱导的细胞生物学过程,并在共生信号传递过程中起作用。3.4对转录因子中间体的作用根毛(roothairs)和表皮毛(trichomes)本质上是具有相同的机制,都涉及一个转录因子复合体模式即MYB(WER/GL),bHlH(GL3/bHLH)和WD-40蛋白。4激素信号和细胞分化通过对根毛质膜离子转运的研究,已经克隆、鉴定了多种离子通道基因,如氯离子通道基因、磷转运子、钾离子通道转运子及钙离子通道转运子等。通过转基因方法,可望使农作物对特定元素进行选择吸收,改进农产品质量。关于植物尤其是作物的根与营养的探讨比较多但对作物根毛研究较少。随着对植物细胞分化机理的了解,对根毛发生、发育下游产物研究越来越多,通过养分胁迫与激素信号之间的关联,分析它们是如何在调节根毛发育过程中起作用。但激素信号如何作用于发育有关、养分胁迫等相关基因,在上游直接表达还是调控下游产物都需要进一步的试验证明。尽管对拟南芥位置决定的模式已经研究很多,但对其他农作物的根毛发育调控是