李佳林，姜升林，李云霞，全曉艷，王文波，單秋麗，解純娟，尹寧，秦余香，張立華，李洪梅，何文興*

（1. 濟(jì)南大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東濟(jì)南 250022；2. 萊州市萊玉化工有限公司，山東 萊州 261400）

根狀莖（rhizomes），也稱根莖，地下變態(tài)莖（modified subterraneous stems）之一。大多數(shù)為橫向生長(zhǎng)，有節(jié)和節(jié)間，節(jié)間距不等，節(jié)上有退化的鱗片，頂端為頂芽，并常生有不定根。根狀莖變態(tài)發(fā)育可形成以下3 種類型：1）根狀莖，一種像根一樣在地下橫向生長(zhǎng)，節(jié)與節(jié)間粗細(xì)均勻，如賴草（Leymus secalinus）、冰草（Agropyron）等禾本科草類植物，繁殖能力強(qiáng)；另外一種是節(jié)特別細(xì)，節(jié)間粗大，如蓮科中的藕（Nelumbo nucifera）等。2）塊莖，節(jié)間縮短的橫生莖，形態(tài)不一，貯藏豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如茄科中的馬鈴薯（Solanum tuberosum）等。3）鱗莖，變態(tài)莖形成鱗片，含有大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如百合科中的洋蔥（Allium cepa）等。根狀莖在植物中分布廣泛，形態(tài)不一，其作用和功能也不同，但通常都含有較豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，發(fā)揮營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存、生理整合等作用，是植物在長(zhǎng)期的生態(tài)環(huán)境適應(yīng)與進(jìn)化選擇下共同作用的結(jié)果，同時(shí)，根狀莖還行使克隆生長(zhǎng)和無(wú)性繁殖的作用。

含有根狀莖的禾本科草本植物，統(tǒng)稱為根狀莖禾草，如賴草屬、偃麥草屬、雀麥屬、早熟禾屬、苔草屬等都是優(yōu)良的根狀莖禾草植物［1］。偃麥草（Elymus repens）、賴草等植物的根狀莖通常是與地面呈平行，地下水平延伸生長(zhǎng)為主，也可轉(zhuǎn)向突出地面發(fā)育為克隆分株，是草本植物的主要能量?jī)?chǔ)存器官，并具有無(wú)性繁殖能力，在多年生植物中常能觀察到根狀莖。根狀莖既是營(yíng)養(yǎng)器官，也是進(jìn)行克隆生長(zhǎng)的繁殖器官；既可垂直生長(zhǎng)，無(wú)性繁殖形成新的克隆分株，也可水平延伸生長(zhǎng)，通過(guò)不斷分化出次級(jí)根狀莖和地上分株擴(kuò)張領(lǐng)土，具有類似于動(dòng)物的“覓食”行為。此外，根狀莖在多年生草本種群繁殖、生境拓展以及維持其持久性生長(zhǎng)等方面也發(fā)揮著重要作用［2］，即根狀莖類禾草除能以種子進(jìn)行繁殖外，還能以營(yíng)養(yǎng)繁殖的方式進(jìn)行個(gè)體數(shù)量的補(bǔ)充和增殖，其營(yíng)養(yǎng)繁殖體位于地下，能縱向生長(zhǎng)產(chǎn)生分蘗進(jìn)行克隆生殖，根狀莖節(jié)上生成芽，芽進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育長(zhǎng)成新植株［3］。眾多的根狀莖和不定根的持續(xù)分化和橫向延伸生長(zhǎng)使其形成了縱橫交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，賦予了根狀莖類禾草很強(qiáng)的水平拓展遷移能力和抗擾動(dòng)能力，有利于固結(jié)土壤以防止水土流失。同時(shí)，大多數(shù)禾本科牧草被牛羊喜食，地下生長(zhǎng)的根狀莖將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)儲(chǔ)存于地下，使植物具有耐寒、耐踩、耐啃食、抗風(fēng)等能力。當(dāng)生長(zhǎng)條件不適宜時(shí)，根狀莖可在地下呈休眠狀；而當(dāng)生長(zhǎng)條件適宜時(shí)，芽可迅速萌發(fā)，使其在退化草原、荒漠以及沙丘等脆弱生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，被列為世界重要經(jīng)濟(jì)植物［4］。

目前，根狀莖獨(dú)特的生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)制受控于哪些內(nèi)、外調(diào)控因子、如何與環(huán)境變化協(xié)調(diào)與互動(dòng)以及其作用機(jī)制尚未被揭示［5］。此外，解析禾本科草類根狀莖的生長(zhǎng)發(fā)育、內(nèi)外調(diào)控因子及機(jī)理和生態(tài)環(huán)境適應(yīng)機(jī)制，對(duì)根狀莖發(fā)育、畜牧生產(chǎn)、防風(fēng)固沙、防止土壤沙化和水土流失等方面具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。因此，本研究對(duì)近些年來(lái)有關(guān)外部刺激和內(nèi)部因素對(duì)根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育的影響進(jìn)行綜述，旨在為禾本科草本植物的根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育機(jī)理及生產(chǎn)調(diào)控提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。

1 生境異質(zhì)對(duì)根狀莖發(fā)育的影響

1.1 氣候條件對(duì)根狀莖發(fā)育的影響

播種時(shí)期的差異會(huì)使植物因受到不同溫度、光照等條件的影響造成光合作用及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)備和分配產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)發(fā)育［6］。龐敏娜等［7］研究發(fā)現(xiàn)，播種時(shí)期會(huì)對(duì)根狀莖冰草（Agropyron michnoi）的根狀莖分化及生長(zhǎng)產(chǎn)生不同影響，5 月之后播種，當(dāng)年產(chǎn)生新根狀莖的數(shù)量會(huì)減少，間隔子（即相鄰分株間距離）增長(zhǎng)；單位根狀莖長(zhǎng)度內(nèi)，莖節(jié)的數(shù)量下降，根狀莖總長(zhǎng)度減短，進(jìn)而造成根狀莖重量在根系中的比例下降。光照也會(huì)影響根狀莖分化，在爬行軟天鵝絨草（Zoysia pacifica）、中國(guó)狗牙根（Cynodon dactylon）等的研究中發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)高光下根狀莖分枝數(shù)會(huì)增多［8］。國(guó)振杰等［9］發(fā)現(xiàn)羊草（Leymus chinensis）根狀莖總長(zhǎng)度、平均根狀莖節(jié)長(zhǎng)隨著海拔的升高呈遞增趨勢(shì)。狗牙根的根狀莖直徑、密度隨著緯度的升高而增加，即隨著溫度的降低，根狀莖的體積增大、數(shù)量增多，便于儲(chǔ)存更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，有利于保護(hù)種質(zhì)［10］。

1.2 土壤因子對(duì)根狀莖發(fā)育的影響

土壤是植物生長(zhǎng)和繁育的基礎(chǔ)，良好的土壤條件能供給植物豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及充足的水分。不同土壤條件對(duì)根狀莖生長(zhǎng)有不同的影響，根狀莖重量在潮濕環(huán)境下有所增加，間隔子隨著濕度的增加而縮短，而砂質(zhì)含量越多越有利于根狀莖的分化和伸長(zhǎng)生長(zhǎng)［11］。不同土壤質(zhì)地對(duì)根狀莖草本克隆分株數(shù)、根狀莖數(shù)、根狀莖總長(zhǎng)、葉片數(shù)及葉面積均有顯著影響（P＜0.05），而對(duì)根狀莖生物量影響不顯著（P＞0.05）。劉琳等［12］研究發(fā)現(xiàn)，與黏土相比，混合土透氣性高，有利于大米草（Spartina anglica）根狀莖的生長(zhǎng)，高養(yǎng)分黏土下的根生物量高于混合土。

根狀莖的生長(zhǎng)同時(shí)受到土壤水分的影響，在根狀莖類植物的芽分化和根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育中，水的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)也可能起著分化導(dǎo)向支配的作用。Mcintyre［13］研究表明，平臥根狀莖和直立主莖對(duì)水分的競(jìng)爭(zhēng)是顯著的；在根狀莖頂端，母枝的切除也誘導(dǎo)根狀莖向芽的分化，當(dāng)根狀莖優(yōu)勢(shì)解除時(shí)，側(cè)芽發(fā)育為芽而不是根狀莖，且C∶N 可能是控制芽和根狀莖發(fā)育過(guò)程的重要因素；這些發(fā)育過(guò)程與根狀莖先端和側(cè)芽干重的減少及在干重基礎(chǔ)上根狀莖先端總氮、氨態(tài)氮和硝酸鹽含量的增加有關(guān)，因?yàn)楦?xì)胞分裂素水平隨著硝酸鹽的增加而升高，可能協(xié)調(diào)了芽和根發(fā)育的長(zhǎng)距離信號(hào)。田間條件下，水分可能是限制偃麥草根狀莖芽活力的主要因素［14］。鄭祥［15］發(fā)現(xiàn)土壤水分含量低于10%或高于40%時(shí)會(huì)影響根狀莖的萌發(fā)，過(guò)高或過(guò)低的水分含量均可抑制其萌發(fā)，且干旱脅迫對(duì)其影響更大。

1.3 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)根狀莖發(fā)育的影響

根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育離不開(kāi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，例如糖，在根狀莖發(fā)育轉(zhuǎn)變等方面發(fā)揮重要作用。糖通常被認(rèn)為是參與根狀莖重力響應(yīng)的調(diào)控信號(hào)［16］。Besshouehara 等［17］發(fā)現(xiàn)糖在根狀莖中的積累隨著其自身的生長(zhǎng)發(fā)育動(dòng)態(tài)改變。糖作為信號(hào)分子，尤其是蔗糖具有最強(qiáng)的抑制根狀莖向上彎曲生長(zhǎng)的作用，能特異性地抑制野生稻（Oryza sativa）根狀莖的發(fā)育轉(zhuǎn)變和負(fù)向重力作用［17］。在蔗糖脅迫下，根狀莖彎曲部分的赤霉素和生長(zhǎng)素含量較低，蔗糖通過(guò)直接或間接地抑制赤霉素的合成、生長(zhǎng)素的運(yùn)輸和細(xì)胞壁的合成，抑制根狀莖向氣生莖的發(fā)育過(guò)渡［17］。此外，可溶性糖在牧草春季發(fā)芽過(guò)程中同樣發(fā)揮重要作用［18］，黃頂?shù)龋?9］研究發(fā)現(xiàn)根系中可溶性糖是根狀莖類禾草生長(zhǎng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，從萌動(dòng)到返青，牧草幼芽中的糖含量逐漸上升，而根系中糖含量在初期逐漸下降，在4 月底含量最低，而后逐漸回升，趨于穩(wěn)定。另外，有研究表明，越冬根狀莖中可溶性糖含量與羊草的密度、高度和生物量存在顯著正相關(guān)關(guān)系［20］。

2 植物激素對(duì)根狀莖發(fā)育的調(diào)控

植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及其物質(zhì)能量的變化均受到植物激素的調(diào)控［21］。研究發(fā)現(xiàn)：赤霉素類（gibberellin，GA）、細(xì)胞分裂素類（cytokinin，CTK）、生長(zhǎng)素類（auxin）、脫落酸（abscisic acid，ABA）和乙烯（ethylene，Eth）等植物激素參與調(diào)控植物組織（或器官）的萌發(fā)、生長(zhǎng)、分化、成熟、衰亡與休眠等整個(gè)生長(zhǎng)周期，幾乎在植物體每個(gè)生命過(guò)程中都發(fā)揮著不可替代的作用［22］。其主要功能是調(diào)節(jié)植物對(duì)外界刺激（如溫度、損傷、水分等）的響應(yīng)并產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)，同時(shí)在植物體對(duì)抗外界脅迫過(guò)程中也起到重要作用［22］。研究發(fā)現(xiàn)，赤霉素、細(xì)胞分裂素以及生長(zhǎng)素在根狀莖的生長(zhǎng)發(fā)育中同樣發(fā)揮著重要作用。

2.1 生長(zhǎng)素、細(xì)胞分裂素和赤霉素在根狀莖發(fā)育過(guò)程中的功能

生長(zhǎng)素是促進(jìn)無(wú)性繁殖體生根成活及生長(zhǎng)發(fā)育的一類重要生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)［23］。生長(zhǎng)素是其他植物激素的調(diào)控中心［24］。生長(zhǎng)素信號(hào)依賴于生長(zhǎng)素應(yīng)答因子（auxin response factors，ARF）的轉(zhuǎn)錄激活因子，而ARF 的轉(zhuǎn)錄激活因子受生長(zhǎng)素吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）誘導(dǎo)蛋白的抑制［25］。韓桂軍等［26］發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)素吲哚-3-乙酸和生長(zhǎng)素吲哚-3-丁酸（indole-3-butyric acid，IBA）對(duì)香根鳶尾（Iris pallida）分株苗根狀莖鮮重增長(zhǎng)有明顯調(diào)控作用，生長(zhǎng)素質(zhì)量濃度與根狀莖鮮重增加量顯著正相關(guān)。

細(xì)胞分裂素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要調(diào)控因子，調(diào)控植物的細(xì)胞分裂、腋窩起始和分化［27］。細(xì)胞分裂素最明顯的生理作用是促進(jìn)細(xì)胞分裂和調(diào)控其分化。在組織培養(yǎng)中，細(xì)胞分裂素和生長(zhǎng)素的比例影響著植物器官分化，通常比例高時(shí)，有利于芽的分化；比例低時(shí)，有利于根的分化。植物體內(nèi)天然的細(xì)胞分裂素主要在根尖合成，通過(guò)木質(zhì)部運(yùn)轉(zhuǎn)到地上部。天然細(xì)胞分裂素有玉米素（zeatin，ZT）、二氫玉米素、異戊烯腺嘌呤、玉米素核苷、異戊烯腺苷等［28］。人工合成的細(xì)胞分裂素除了激動(dòng)素（kinetin，KT）外，還有6-芐基氨基嘌呤（6-benzylaminopurine，6-BA）等。

赤霉素是另一種重要的植物激素，其主要功能是調(diào)節(jié)細(xì)胞伸長(zhǎng)，刺激植物器官的伸長(zhǎng)。赤霉素的生物合成需要多種酶，其中古巴焦磷酸合酶、內(nèi)根-貝殼杉合成酶、GA-20 氧化酶和GA-3β 羥化酶作為關(guān)鍵酶參與赤霉素的生物合成［29］。另外，赤霉素能夠誘導(dǎo)擴(kuò)張素和木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)葡糖苷酶水解酶（xyloglucan endotransglycosylase，XET）基因家族參與細(xì)胞擴(kuò)張、細(xì)胞分離和細(xì)胞壁解體等生物學(xué)過(guò)程［30］。

2.2 不同植物激素介導(dǎo)的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)根狀莖發(fā)育的作用

植物激素對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的調(diào)控方式錯(cuò)綜復(fù)雜，既相互聯(lián)系，又獨(dú)立作用，各種激素處于激素相對(duì)平衡狀態(tài)［31］。CTK 和GA3分別通過(guò)激活代謝途徑來(lái)促進(jìn)根狀體的形成和生長(zhǎng)，其在高羊茅（Festuca elata）的根狀體起始和伸長(zhǎng)過(guò)程中為細(xì)胞分裂和擴(kuò)展提供能量和氨基酸。高羊茅根狀莖中的赤霉素對(duì)根狀莖伸長(zhǎng)的刺激主要是通過(guò)呼吸和氨基酸代謝的激活來(lái)實(shí)現(xiàn)的［32］。施加不同外源激素，根狀莖發(fā)育有不同響應(yīng)，根據(jù)近年來(lái)的報(bào)道顯示：外源施用GA3不僅可以顯著促進(jìn)早熟禾（Poa annua）和高羊茅的根狀莖伸長(zhǎng)［33］，且能夠維持冰草親本植株根狀莖優(yōu)勢(shì)和根狀莖的形態(tài)特征和生長(zhǎng)習(xí)性［34］，同時(shí)GA3能夠顯著增加羊草生長(zhǎng)季末的根狀莖頂芽、根狀莖節(jié)芽和根狀莖頂苗的數(shù)量［35］。此外，長(zhǎng)雄蕊野生稻施用赤霉素增加了其根狀莖的負(fù)向重力，促進(jìn)了根狀莖彎曲。除外源GA3外，外源施加IAA 也增加了根狀莖頂苗和根狀莖節(jié)苗數(shù)目，減少了分蘗節(jié)芽數(shù)［35］。Roy 等［36］在對(duì)地寶蘭（Geodorum densiflorum）根狀莖體外誘導(dǎo)時(shí)發(fā)現(xiàn)，施加α-萘乙酸（α-naphthalene acetic acid，NAA）和6-BA 可明顯提高根狀莖的形成率，而單獨(dú)施加NAA，根狀莖呈正向地性且有利于根狀莖的生長(zhǎng)和分枝，而高濃度的6-BA 則使根狀莖呈現(xiàn)負(fù)向地性。另外，CTK 可促進(jìn)高羊茅根狀莖形成［33］。

3 不同關(guān)聯(lián)基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)對(duì)根狀莖發(fā)育的影響

根狀莖中高表達(dá)基因主要參與初級(jí)代謝、激素信號(hào)調(diào)節(jié)和應(yīng)激反應(yīng)過(guò)程，目前，禾本科草類根狀莖發(fā)育的分子調(diào)控機(jī)制尚不明確。許多研究表明，激素通過(guò)基因表達(dá)調(diào)控發(fā)揮作用［37］。Shani 等［38］發(fā)現(xiàn)激素并不是調(diào)節(jié)頂端分生組織發(fā)育的唯一因子，且需要包括轉(zhuǎn)錄因子在內(nèi)的其他因子協(xié)同發(fā)揮作用。轉(zhuǎn)錄因子（transcription factor，TF）對(duì)細(xì)胞代謝調(diào)控基因表達(dá)具有重要調(diào)控作用。通過(guò)對(duì)不同組織轉(zhuǎn)錄因子分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)TFs 在所有組織中均表現(xiàn)出相對(duì)廣泛的表達(dá)模式，而有些則表現(xiàn)出獨(dú)特的組織特異性表達(dá)模式。Hu 等［39］通過(guò)差異表達(dá)基因與激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的圖譜在芒草（Miscanthus lutarioriparius）不同組織的表達(dá)分析發(fā)現(xiàn)，19 個(gè)TFs 和16 個(gè)激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)基因在根狀莖芽中優(yōu)先表達(dá)，其中有175 個(gè)基因參與ABA、IAA、Eth、油菜素類固醇（brassinosteroids，BR）、茉莉酸（jasmonic acids，JA）、CTK、GA 和水楊酸（salicylic acid，SA）等激素的生物合成代謝過(guò)程，并且構(gòu)建了一個(gè)基于基因共表達(dá)模式的推測(cè)性調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，顯示TFs 和激素信號(hào)相關(guān)基因在根狀莖芽中優(yōu)先表達(dá)，暗示其共同參與根狀莖分化和發(fā)育調(diào)控。

3.1 細(xì)胞分裂素關(guān)聯(lián)基因調(diào)控根狀莖發(fā)育

CTK 和GA 調(diào)控根狀體的形成及伸長(zhǎng)的分子機(jī)制較為復(fù)雜，涉及多個(gè)代謝過(guò)程，包括細(xì)胞分裂素和赤霉素代謝途徑以及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。細(xì)胞分裂相關(guān)基因，如LONELY GUY（LOG）編碼一種新的細(xì)胞分裂素激活酶，作用于細(xì)胞分裂素合成的最后一步，其表達(dá)受赤霉素的影響［40］。外源施用CK 可以顯著上調(diào)細(xì)胞周期蛋白D2（CYCD）、組蛋白H4（His4）、增殖細(xì)胞核抗原（PCNA）和細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶B（CDKB）等相關(guān)基因的表達(dá)水平。6-BA（一種合成的細(xì)胞分裂素）可促進(jìn)根狀莖形成，其能夠使根狀莖節(jié)細(xì)胞分裂相關(guān)調(diào)控基因表達(dá)上調(diào)，這表明CTK 可以誘導(dǎo)細(xì)胞分裂相關(guān)基因的表達(dá)，反之細(xì)胞分裂相關(guān)基因的上調(diào)可以提高CTK 的合成，從而調(diào)控莖尖分生組織和腋生分生組織的發(fā)育［41］。另外，CTK 對(duì)高羊茅根狀莖發(fā)育的調(diào)控既有直接作用，也有間接作用，可通過(guò)誘導(dǎo)細(xì)胞分裂和周期調(diào)控響應(yīng)基因表達(dá)水平，進(jìn)而增加高羊茅根狀莖的數(shù)量。通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，GA 信號(hào)通路相關(guān)的基因在根狀莖中富集［42］，GA3處理可提高根狀莖的長(zhǎng)度，這可能與調(diào)節(jié)根狀莖延伸生長(zhǎng)相關(guān)基因表達(dá)密切相關(guān)［37］。

3.2 生長(zhǎng)素關(guān)聯(lián)基因調(diào)控根狀莖發(fā)育

生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸參與了植物許多重要生長(zhǎng)過(guò)程，其中包括植物的分枝、向性生長(zhǎng)和根系發(fā)育等。AUX/IAA基因家族對(duì)根狀莖的發(fā)育有重要的調(diào)控作用，研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)AUX/IAA突變對(duì)植物分生組織的向重力性或向光性均有直接響應(yīng)［43］。此外，AUX/IAA與ARF基因家族編碼的特定蛋白相互作用進(jìn)而調(diào)控根狀莖的向重力和向光性過(guò)程［44］。在植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和控制側(cè)分生組織活性方面發(fā)揮重要作用的ARF8和PIN3基因在根狀莖尖中的表達(dá)被顯著下調(diào)［45］，表明生長(zhǎng)素在根狀莖發(fā)育過(guò)程中起著負(fù)調(diào)控作用。Xu 等［46］在水稻中發(fā)現(xiàn)了OsPIN1基因，該基因編碼生長(zhǎng)素輸出載體，在維管組織和根中特異表達(dá)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，過(guò)量或抑制表達(dá)OsPIN1將直接導(dǎo)致分蘗數(shù)和根狀莖比發(fā)生變化，表明OsPIN1在調(diào)控不定根的產(chǎn)生和分蘗中起關(guān)鍵作用。過(guò)量或抑制表達(dá)MdPIN3和MdPIN10使蘋果（Malus domestica）自根砧不定根的向重力性定點(diǎn)角變?。?7］。擬南芥（Arabidopsis thaliana）AtFLP和AtARF7調(diào)控次生根的向重力性［48-49］。此外，Chen 等［50］發(fā)現(xiàn)過(guò)量表達(dá)OsPIN2可以使水稻分蘗角度增大兩倍，并導(dǎo)致分蘗數(shù)目增多和株高變矮。Dash 等［51］對(duì)水稻IAA10基因在莖尖、莖間、根狀莖尖端和根狀莖間的表達(dá)量進(jìn)行比較研究發(fā)現(xiàn)，IAA10基因在多年生水稻根狀莖頂端表達(dá)相對(duì)較高，進(jìn)一步佐證了生長(zhǎng)素相關(guān)基因與根狀莖分化密切相關(guān)［42］。

3.3 數(shù)量性狀位點(diǎn)調(diào)控根狀莖發(fā)育

在次生代謝、激素代謝、非生物刺激和發(fā)育通路研究中，發(fā)現(xiàn)了大量根狀莖富集表達(dá)的基因（quantitative trait locis，QTLs）。以長(zhǎng)雄蕊野生稻為例，發(fā)現(xiàn)了3 個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTLs）控制根狀莖長(zhǎng)度，分別是QRl1、QRl6 和QRl7 區(qū)域。同時(shí)，鑒定出了9 個(gè)根狀莖尖（rhizome tip，RT）特異性差異調(diào)節(jié)基因，包括一個(gè)類組織學(xué)轉(zhuǎn)錄因子（Os07g41580）和一個(gè)同源域亮氨酸拉鏈蛋白（Os07g39320）。許多已知的QTLs 影響了長(zhǎng)雄蕊野生稻根狀莖的豐度，它們與高粱（Sorghum propinquum）中控制根狀莖的QTLs 位置一致［52-53］。水稻中Rhz3 QTL對(duì)根狀莖數(shù)、根狀莖分枝度、根狀莖分枝數(shù)、根狀莖長(zhǎng)度、根狀莖節(jié)間數(shù)和根狀莖生物量等根狀莖性狀均有調(diào)控作用；另外有研究發(fā)現(xiàn)，高粱Rhz3 QTL對(duì)分蘗數(shù)、地下根長(zhǎng)和春季再生有顯著影響，但對(duì)根展距離無(wú)影響［54］。QTLs 的研究對(duì)根狀莖生長(zhǎng)相關(guān)基因和途徑的深入研究以及根狀莖遺傳和外源調(diào)控提供了理論支持，并為進(jìn)一步解析根狀莖調(diào)控的分子進(jìn)化奠定了基礎(chǔ)。

3.4 多基因聯(lián)合調(diào)控根狀莖發(fā)育

根狀莖和子株分蘗均由腋生分生組織發(fā)育而來(lái)［55］，控制分蘗的基因與根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)的基因可能存在交叉重疊。除了AUX/IAA基因家族外，其他基因如功能保守的TAC1基因和向地性LAZY1基因家族也存在于包括水稻和玉米（Zea mays）在內(nèi)的多種植物中［56］。此外，分蘗也受MYB 轉(zhuǎn)錄因子［57］、非編碼單鏈RNA 分子（microRNAs）［58］和其他基因的調(diào)控。MONOCULM1（MOC1）是水稻中第一個(gè)被克隆到的腋芽萌發(fā)和分蘗生長(zhǎng)調(diào)控上游基因［59］。Rhz2和Rhz3基因也是禾本科植物根狀莖發(fā)育的重要調(diào)控因子［53］。OsTB1 作為負(fù)調(diào)控因子調(diào)控水稻分蘗的生長(zhǎng)［60］。此外，LAX和SPA被認(rèn)為是水稻腋生分生組織形成的主要調(diào)控因子［61］，其中，LAX1在水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)階段對(duì)所有類型的腋生分生組織均具有重要的調(diào)節(jié)作用［62］。另外，DWARF基因也被報(bào)道參與分蘗芽的生長(zhǎng)過(guò)程［63］。

頂端分生組織差異表達(dá)基因也為根狀莖分化及生長(zhǎng)研究提供了一些重要信息。頂端分生組織由多能性細(xì)胞組成，也是根狀莖發(fā)育最重要的組織，研究發(fā)現(xiàn)，在根狀莖尖（RT）和莖尖（stem tip，ST）中存在諸多特異表達(dá)和差異表達(dá)的基因，在長(zhǎng)雄蕊野生稻中的研究顯示，這些差異表達(dá)基因中，162 個(gè)基因在RT 中表達(dá)上調(diào)，261 個(gè)基因在ST 中表達(dá)下調(diào)，許多光合作用相關(guān)的基因在RT 中被顯著下調(diào)，從而造成了參與轉(zhuǎn)錄調(diào)控和轉(zhuǎn)運(yùn)的基因被抑制［42，64］。另外，3 種生長(zhǎng)素應(yīng)答相關(guān)基因在RT 中較ST 也顯著下調(diào)。與其他組織不同的是，有些基因在RT 中相對(duì)富集，其中包括在器官形態(tài)發(fā)生過(guò)程中起著植物主調(diào)控作用的OSH1家族的3 個(gè)同源基因［65］；在植物側(cè)部器官的發(fā)育中起作用的特異性轉(zhuǎn)錄因子家族TCP 和YABBY 蛋白也參與分蘗的起始和延伸生產(chǎn)［66］；根發(fā)育中起重要作用的AGL12基因在初生根分生組織中優(yōu)先表達(dá)［67］；由GA 誘導(dǎo)，參與細(xì)胞伸長(zhǎng)的OsEXP10基因同樣在根狀莖發(fā)育中起重要作用［68］。

研究表明，無(wú)頂端分生組織（no apical meristem，NAM）蛋白參與了莖尖分生組織和側(cè)枝的形成［69］，長(zhǎng)雄蕊野生稻中NAM 轉(zhuǎn)錄因子在RT 中抑制表達(dá)，揭示了其在根狀莖發(fā)育起負(fù)調(diào)控作用。MAP3K 在RT 中活性增強(qiáng)可能對(duì)根狀莖的形成和根狀莖頂端分生組織細(xì)胞增殖有重要作用［70］。QRn3 區(qū)域的擴(kuò)張蛋白S1 通過(guò)介導(dǎo)細(xì)胞壁的疏松來(lái)促進(jìn)生長(zhǎng)，因此RT 中大量的擴(kuò)張蛋白S1 蛋白可能是導(dǎo)致根狀莖伸長(zhǎng)的主要原因［71］。與QRn2 相關(guān)的MAP3K基因參與調(diào)節(jié)激素和光的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程，是調(diào)節(jié)細(xì)胞極性和運(yùn)動(dòng)性的關(guān)鍵調(diào)控因子［70］。LTPs在細(xì)胞膜之間的脂質(zhì)轉(zhuǎn)移以及植物發(fā)育中起著多種作用。LTP1被鑒定為編碼鈣調(diào)蛋白結(jié)合蛋白的基因［72］，RT 中LTP1轉(zhuǎn)錄富集揭示其參與根狀莖發(fā)育中的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程。此外，具有細(xì)胞伸長(zhǎng)和細(xì)胞周期調(diào)控功能的幾個(gè)關(guān)鍵基因，如CEN2和CEN3在RT 中也高度富集表達(dá)。綜上所述，禾本科草類植物根狀莖的生長(zhǎng)發(fā)育受多重復(fù)雜的基因網(wǎng)絡(luò)調(diào)控。

4 研究展望

根狀莖類禾本科植物有別于非根狀莖類的顯著特點(diǎn)是其可以通過(guò)根狀莖不斷分化產(chǎn)生次級(jí)子代分株，完成株系繁育和更新。同時(shí)，根狀莖賦予了根狀莖類禾草獨(dú)特的環(huán)境適應(yīng)機(jī)制和策略，是禾草長(zhǎng)期與環(huán)境的互作中不斷適應(yīng)和進(jìn)化的結(jié)果。根狀莖生物量的增加可提高禾本科植物的生存繁衍能力和環(huán)境適應(yīng)能力［73］，而根狀莖的分化和生長(zhǎng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，不僅受到外界環(huán)境因子的刺激，也受到內(nèi)在因素的影響。根狀莖禾草所處的土壤條件、水分供應(yīng)情況對(duì)其生長(zhǎng)產(chǎn)生不同的影響，疏松的土壤為根狀莖快速生長(zhǎng)提供有利條件，充足的水分避免了根狀莖與地上組織的水分競(jìng)爭(zhēng)。根狀莖在地下主要向上、向下或向一側(cè)生長(zhǎng)。目前，關(guān)于根狀莖生長(zhǎng)方向的調(diào)控機(jī)理研究較少。研究發(fā)現(xiàn)，擬南芥根系的生長(zhǎng)方向及分枝角度受植物激素和重力信號(hào)協(xié)同調(diào)控［74-75］。在禾本科植物中，外源施加赤霉素除了能夠促進(jìn)根狀莖伸長(zhǎng)之外，也會(huì)增加其負(fù)重力作用，造成根狀莖彎曲。細(xì)胞分裂素則促使根狀莖數(shù)量增加，而細(xì)胞分裂素和赤霉素調(diào)控根狀莖的形成和伸長(zhǎng)的潛在機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。此外，禾本科草本根狀莖的生長(zhǎng)發(fā)育不僅受激素的調(diào)控，而且包括重力在內(nèi)的外部環(huán)境信號(hào)同樣發(fā)揮重要作用。當(dāng)根狀莖接受刺激后，內(nèi)部調(diào)控網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)做出最有利反應(yīng)。因此，本研究對(duì)影響根狀莖生長(zhǎng)發(fā)育的內(nèi)外調(diào)控因子進(jìn)行了基于研究文獻(xiàn)的階段性總結(jié)，以期為進(jìn)一步解析根狀莖發(fā)育分子調(diào)控奠定基礎(chǔ)，可為防治頑固的根狀莖型農(nóng)田雜害草和防控外來(lái)入侵種提供新的思路。