植物根部熱形態建成的研究進展

劉 瑋 朱自強

（南京師范大學生命科學學院，南京 210023）

作為固著生長的生物，植物的生長發育模式極大地受外界環境影響。為了應對各種生物脅迫和非生物脅迫，植物體內進化出了一系列復雜的調控機制。溫度是限制植物生長發育的重要環境因子，高溫對植物種子萌發、細胞伸長、開花時間和果實發育等生長發育各階段都有影響［1］。植物會通過熱形態建成響應熱脅迫，以適應高溫環境，例如下胚軸伸長、葉柄偏下性生長、氣孔密度降低和葉片厚度減小等［2］，這些形態變化能夠幫助植物遠離吸熱土壤，更好地接觸冷卻氣流，從而最大限度地提高散熱能力［3］。除了地上部的這些變化之外，高溫也會促進植物根伸長，以獲取更多水分和養分。由于根是植物吸收水分和無機鹽的重要器官，因此高溫下根的生長發育狀態也直接決定了農作物的產量［4］。據估計，全球平均氣溫每升高1 ℃，會造成小麥減產6.0%，水稻減產3.2%，玉米減產7.4%，大豆減產3.1%［5］。2018 年，聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）報告預計2030～2052 年全球氣溫會比工業化之前水平升高1.5 ℃［6］?？梢?，全球氣候變暖將對未來糧食安全帶來嚴重危害。因此，深入研究植物熱形態建成機制，解析植物熱形態建成調控網絡對培育耐熱作物品種和未來糧食安全最大化意義重大。

對于模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）來說，當沒有熱適應突然暴露于高于40 ℃的高溫時，擬南芥會因為無法忍受高溫而死亡［7］。而如果事先暴露于溫度低于37 ℃的高溫時，植物可以獲得耐熱性以增加存活的機會［1，8-9］。當暴露于溫和高溫（27～32 ℃）下，植物會產生一系列形態變化，即熱形態建成［2］。植物對高溫的響應是具有組織特異性的［10］，然而目前對植物熱形態建成的理解和研究主要基于地上組織（如下胚軸和葉柄伸長、開花時間），對植物根部熱形態建成調控機制的認識仍較少。本文首先總結了近年來植物地上部分熱形態建成的主要研究成果，并著重聚焦植物根部熱形態建成的調控機制進行論述，最后對植物根部熱形態建成領域作出展望。

1 植物地上部熱形態建成研究進展

由于表型易于觀察，高溫誘導的擬南芥下胚軸伸長得到了較為廣泛地研究。1998 年，研究者發現溫和高溫處理能促進下胚軸伸長，并且這一過程依賴于植物激素生長素［11］。隨后陸續發現參與該過程的多個植物高溫感受器，包括植物紅光/遠紅光受體光敏色素蛋白phyB（phytochrome B），轉錄因子PIF7（PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 7）和生物鐘晚間復合體（Evening Complex， EC）關鍵組分ELF3（EARLY FLOWERING 3）［12］。在黑暗條件下，phyB 以無活性的紅光吸收形式（Pr形式）存在；當吸收紅光后，變為有活性的遠紅光吸收形式（Pfr 形式），這兩種形式可以相互轉變［13］。高溫會加速phyB 從活化的Pfr 到非活化的Pr 構象的轉變，進而解除phyB 對其結合轉錄因子PIF4（PHYTOCHROME INTERACTING FACTOR 4）的抑制作用，增強PIF4 的蛋白穩定性和轉錄活性，誘導下胚軸伸長［14-15］。高溫也會促進PIF7mRNA 的翻譯過程，使PIF7 蛋白快速積累，進一步誘導生長素合成基因YUCCA8的轉錄來誘導熱形態建成［16］。ELF3 是生物鐘晚間復合體的成員，晚間復合體由LUX（LUX ARRHYTHMO）、ELF3 和ELF4（EARLY FLOWERING 4）組 成［17］。ELF3 直接與ELF4、LUX 蛋白相互作用，作為支架將ELF4 和LUX 結合在一起；ELF4 能促進ELF3 和整個晚間復合體的核定位；LUX 具有DNA 結合能力，負責將晚間復合體招募到靶基因啟動子上［18-19］。高溫削弱晚間復合體的DNA 結合能力，進而減輕對下游靶基因PIF4的抑制，促進熱形態建成［12］。高溫也會影響ELF3 的活性，通過促進ELF3 液-液相分離，解除對下游基因的抑制，誘導熱形態建成［20］?？偟膩碚f，溫和高溫能抑制phyB和ELF3的活性，增強PIF7活性來誘導地上部熱形態建成。此外，動物中的CLK（CDC-Like Kinase）激酶已被證實參與調控高溫下的可變剪接，它能夠感知溫度變化，改變對絲氨酸/精氨酸蛋白的磷酸化［21］。Lin 等［22］發現植物中的CLK 同源蛋白AFC2（ARABIDOPSIS FUS3 COMPLEMENTING GENE 2）激酶活性同樣對高溫敏感，能參與調控高溫下的可變剪接，并負調控熱形態建成。PIF4是擬南芥熱形態建成的中心調節因子，溫度感受器接受高溫信號后能夠穩定PIF4 蛋白活性或促進其轉錄活性，PIF4 進一步通過誘導生長素的生物合成促進下胚軸伸長［23-25］。通過這一系列研究，目前對地上部熱形態建成的機制已經基本明確。

2 植物根部熱形態建成的調控機制

2.1 高溫促進植物根部熱形態建成

溫和高溫會促進植物根部伸長，這一現象稱為根部熱形態建成（見圖1）。研究發現，無論是短期高溫，還是長期高溫處理都會促進擬南芥主根伸長［26-27］，即便是切除下胚軸和子葉的離體根段在高溫處理下仍然可以伸長，因此認為植物根部具有自主感知和響應高溫的能力［25，28］。目前已發現了根部熱形態建成的部分調控機制（見圖1）。

圖1 擬南芥根部熱形態建成調控網絡Fig.1 The regulatory network of root thermomorphogenesis of A.thaliana

2.2 根部熱形態建成調控的關鍵信號分子

植物地上部和根部熱形態建成之間存在一定的聯系，但同時也具有組織特異性，它們分別由不同的轉錄因子所介導。相較于PIF4在植物地上部熱形態建成的重要作用，PIF4 在根熱形態建成中并不是必需的［29］。HY5（LONG HYPOCOTYL 5）是根部熱形態建成的正調節因子。Lee等［30］發現hy5突變體的根熱形態建成存在缺陷，說明HY5 是根部熱形態建成的正調節因子。進一步研究發現，HY5 能調節根系組織中的基因表達如生長素信號基因IAA19、SAUR40、SAUR77，進而促進根部熱形態建成。同時，HY5 也和油菜素內酯介導的根系伸長有關，HY5 能直接調節油菜素內酯代謝基因BAS1和SOB7的表達。此外，高溫會通過調控SPA（SUPPRESSOR OF PHYA-105）激酶對HY5的磷酸化影響HY5 蛋白穩定性。高溫下模擬HY5 磷酸化形式的轉基因株系（35S：HY5-S36D/hy5-215）表現出與HY5 正常轉基因株系（35S：HY5/hy5-215）相似的根長表型，而HY5 磷酸化位點突變的轉基因株系（35S：HY5-S36A/hy5-215）根熱形態建成存在缺陷?？傊?，高溫能促進SPA 激酶對HY5 的磷酸化，磷酸化的HY5蛋白具有更高的穩定性，直接調節生長素和油菜素內酯代謝相關基因的表達，進而促進根系伸長。地上部衍生的信號對根系熱形態建成也起一定作用。HY5 可以介導植物地上部和根部之間的通訊，HY5 蛋白能從地上部轉移至根部以調節植物生長［31-32］，Gaillochet 等［33］發現hy5突變體的地上部和根部熱形態建成表型能通過抑制PIFs 表達而被挽救，說明HY5 和PIFs 共同作用以調節地上部和根部熱形態建成。

溫度感受器phyB、ELF3和PIF7在調控溫和高溫下胚軸的伸長中起關鍵作用［14-16］。然而Borniego 等［34］發現，在植物根部熱形態建成中，phyB、ELF3 和PIF7 并不具有溫度感受器的功能。首先，在28 ℃下，phyB、elf3、pif7突變體的主根會伸長，但伸長率要小于野生型擬南芥。在地上部熱形態建成中高溫會抑制phyB 和ELF3 的活性，那么如果phyB 和ELF3 在根部熱形態建成中起溫度傳感器功能，其功能缺失突變體的根長應該在20 ℃下伸長；pif7突變體的表型與其在地上部熱形態建成中的相符。其次，phyB 的熱逆轉對其作為溫度感受器的功能是非常重要的，高溫會促進phyB 由Pfr轉變為Pr 形式，加速phyB 的失活，從而誘導地上部熱形態建成［14-15］，而熱逆轉嚴重受損的phyB 變異體（phyBY361F和phyBR582A）與正常phyB 都能恢復phyB突變體的根部熱形態建成。在下胚軸中，核內小體的大小與phyB 的活性相關，高溫下phyB 核內小體會變??；而在根中，高溫下伸長區細胞phyB核內小體的大小沒有變化，根尖細胞phyB 核內小體的數量略微增加。這說明根中phyB 的熱逆轉較為穩定，以Pfr 活性形式存在，從而促進根系生長。溫和高溫下，下胚軸細胞中ELF3 核內小體的數量在一天內隨時間而變化，上午ELF3 核內小體數量增加，下午數量減少；但是在根細胞中溫度升高會導致ELF3 核內小體數量減少。高溫能促進地上部PIF7的 轉錄和PIF7 蛋白積累［16，35］，而 在28 ℃下，根部PIF7 蛋白豐度比在22 ℃降低，根部PIF7的表達也沒有變化。說明高溫對根部PIF7的影響可能通過轉錄后水平來實現。盡管phyB、ELF3 和PIF7 不是根部的溫度感受器，但它們部分參與調節了植物根熱部形態建成。

2.3 根部熱形態建成調控的主要激素途徑

植物地上部熱形態建成的調控主要通過溫度感受器（phyB、PIF7、ELF3）、特定轉錄因子（PIF4）和植物激素生長素來實現［36］。其中，植物激素將外源信號整合到植物生長過程中，從而調節植物的生長和發育［37］。盡管目前還沒有研究發現存在于植物根部的溫度感受器，但多項研究已表明根部熱形態建成與植物激素密切相關。

2.3.1 生長素

擬南芥地上部的熱形態建成主要由生長素（IAA）介導［26-27，33，38］，根據這一線索，許多研究者開始探索生長素在根部熱形態建成中的作用。根據目前研究來看，溫和高溫可以通過影響生長素的感知、信號轉導、生物合成和運輸來調控植物根部伸長。當擬南芥幼苗在27～29 ℃條件下生長或將其轉移至27～29 ℃條件時，幼苗根部的生長素信號報告基因（如DR5）熒光強度會增加，這表明生長素信號可能在根部熱形態建成中發揮作用［26-27，39］。 TIR1/AFB（TRANSPORT INHIBITOR RESPONSE1/AUXIN RESPONSE F-box）是生長素受體，能夠感知生長素信號［40］。Wang 等［27］發現，高溫下擬南芥tir1功能缺失突變體的根部伸長受到抑制。進一步研究發現，在29 ℃高溫下，分子伴侶HSP90（HEAT SHOCK FACTOR 90）及其協同伴侶SGT1（SUPPRESSOR OF G2 ALLELE SKP1）共同促進TIR1 蛋白水平的增加，進而增強生長素信號轉導，促進根系伸長。TMK1（RECEPTOR-LIKE TRANSMEMBRANE KINASE 1）是獨立于TIR1/AFB 系統參與生長素感知的跨膜激酶，Gaillochet等［33］發現與野生型擬南芥相比，高溫下tmk1 tmk4雙突變體根的伸長率降低。這些研究都證實了生長素感知和信號傳導是根系熱形態建成所必需的。另外，Gaillochet 等［33］發現，生長素合成基因YUCCAs突變會影響擬南芥根部對高溫的響應，說明生長素的生物合成也是溫和高溫促進根伸長所必需的。由載體蛋白驅動的生長素運輸在根系高溫響應中起重要作用。Hanzawa 等［26］發現經29 ℃高溫處理后，生長素轉運突變體aux1（生長素內流載體突變體）和eir1/pin2（生長素外流載體突變體）的根系伸長受到抑制，進一步研究發現高溫會促進由PIN2 介導的生長素外排，以調節細胞內生長素穩態，從而調節根系生長。PILS（PIN-LIKES）蛋白是定位于內質網的生長素載體，能將生長素從胞質轉運到內質網腔，間接抑制了生長素向細胞核的運輸，從而減弱生長素信號轉導［37，41-42］。Feraru 等［37］發現溫和高溫會降低根尖分生組織細胞內PILS6 的蛋白豐度，導致生長素在細胞核中積累，促進生長素信號轉導，誘導根系生長。相應地，在擬南芥pils6突變體中也觀察到了根系熱形態建成的缺陷表型。

此外，最近研究發現高溫能加快根尖分生組織的細胞分裂速度，進而誘導根部熱形態建成，在該過程中生長素發揮著關鍵作用。早在1973 年，Grif 等［43］就提出了低溫下植物根系生長遲緩是由細胞周期持續時間延長導致的。后續有研究認為高溫能促進細胞分裂速率，很有可能是通過影響細胞周期持續時間來實現的［44-45］。2013年，Hanzawa 等［26］觀察到高溫下根尖中細胞周期標記基因CYCB1；1-GUS活性增強，并認為高溫誘導的根部生長主要是由于細胞分裂增加引起的。2017 年，Yang等［39］在擬南芥根部進行的動力學研究支持高溫對細胞分裂的促進作用，但卻將此解釋為對分生組織縮短的補償機制，并提出在高溫下伸長區細胞伸長在促進根系生長中的重要作用。Feraru等［37］也觀察到高溫下擬南芥根尖分生組織的縮短。因此，高溫誘導的主根伸長是由于根部細胞伸長還是細胞分裂增加引起的還存在爭議。近期研究發現，在28 ℃下，擬南芥幼苗根細胞的數量急劇增加，進一步研究發現是由于根尖分生組織細胞分裂速率增加引起的，并且該過程依賴于生長素［28］。該研究還發現施用生長素生物合成抑制劑會抑制根部熱形態建成，并且阻斷地上部生長素運輸不影響根部熱形態建成，還發現高溫通過吲哚-3-丙酮酸途徑誘導根部生長素的生物合成?？傊?，該研究證明高溫誘導的細胞分裂依賴于生長素，建立了溫度、生長素和細胞周期三者的直接聯系。這也進一步說明植物地上部和根部熱形態建成由不同的信號通路介導，根部很有可能存在獨立于地上部自主感知高溫信號的分子機制。

2.3.2 油菜素內酯

在植物地上部熱形態建成中，生長素往往與其他植物激素如油菜素內酯相互作用共同發揮作用［36］。溫和高溫誘導子葉中生長素合成，隨后生長素移動到下胚軸，并觸發局部油菜素內酯誘導的細胞伸長［25］。油菜素內酯可以通過調節分化細胞伸長和分生組織大小影響根系生長［46-48］。研究發現，油菜素內酯在根部熱形態建成中也發揮作用。Martins等［10］發現，在26 ℃條件下，油菜素內酯受 體BRI1（BRASSINOSTEROID INSENSITIVE1）的蛋白水平下降，導致油菜素內酯信號轉導受阻，從而介導根部伸長。對應的，在26 ℃下，油菜素內酯信號響應缺陷突變體bri1和bes1（bri1EMS SUPPRESSOR 1）的根系伸長受到抑制。有趣的是，Sun 等［49］發現油菜素內酯信號限制了生長素轉運載體PILS 蛋白在內質網的積累，從而增加了生長素的核輸入，促進生長素信號轉導。同時，Feraru等［37］發現高溫能抑制PILS 蛋白的積累，促進生長素入核并誘發根部熱形態建成，說明油菜素內酯信號在高溫誘導的PILS 蛋白的抑制中起關鍵作用。

2.3.3 乙烯

植物激素乙烯對根系生長有顯著的抑制作用。乙烯能夠和生長素協同作用，通過調節根頂端分生組織的細胞增殖和伸長區細胞伸長來抑制主根生長［50-52］。在高溫下，乙烯也能夠和生長素協同作用，調控根部形態建成。Fei 等［53］發現，TAA1（TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS）依賴的生長素生物合成和ETR1（ETHYLENE RESPONSE1）依賴的乙烯信號共同介導根部熱形態建成。在27 ℃，taa1突變體的根長明顯變短。外源施加乙烯前體ACC（1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid）能恢復taa1突變體的根長表型，但不能恢復taa1 etr1的根長表型。這說明乙烯通過依賴ETR1 的途徑調節taa1突變體對高溫的敏感性。進一步研究發現，高溫通過增強ETR1介導的乙烯信號來促進TAA1依賴性生長素的生物合成，而由TAA1介導的生長素合成對高溫下維持AUX1、PIN1和PIN2的表達是至關重要的。以上結果說明乙烯是高溫下維持生長素水平和運輸所必需的。

3 植物根部熱形態建成研究展望

盡管目前已發現了一些與植物根部熱形態建成聯系密切的信號分子和植物激素，但其更深入的分子機理仍需進一步研究。有研究發現植物根部可能存在未知的熱傳感器，能夠以生長素為信使將高溫信號傳遞到細胞周期，增加根頂端分生組織中的細胞分裂速率，促使根部伸長［28］。植物根部是否存在獨特的溫度感受器？其具體存在于根部哪些組織類型？這些有趣的科學問題尚待研究。

目前對于植物根部熱形態建成的理解和研究主要基于雙子葉模式植物擬南芥，雖然在單子葉模式植物二穗短柄草（Brachypodium distachyon）中也發現了與擬南芥相似的由H2A.Z 核小體介導的高溫響應機制［54］，但是單子葉植物中是否也存在根部熱形態建成？是否在單雙子葉植物中存在保守的調控機制？

根部熱形態建成的生理意義目前也不是十分清楚。如果阻斷根部熱形態建成行為是否會影響到植物地上部分的高溫響應？根部熱形態建成是否會增強植物在高溫下的水分吸收能力？另一方面，由于干旱和高溫往往并存，是否干旱和高溫利用同樣的分子機制調控植物的根伸長行為？