糖对根系生长发育的影响与调控机制

　　引言
　　
　　根系是植物长期适应陆地条件而形成的重要器官，在植物生长发育过程中发挥着固定植株、吸收水肥、合成运输有机无机物质等众多功能[1-4],间接地调控着地上部诸多重要器官如茎、叶、花、果实等生长发育进程[5-6].因此，研究植物根系生长发育的调控机理对于人们深入了解根系地上部重要器官发育进程具有重要意义。植物由根系吸收土壤中水肥并通过叶片光合作用生成糖，而糖不仅作为植物代谢的能量来源和结构物质，同时还作为信号分子参与植物体内众多代谢过程，影响着植物的种子萌发、下胚轴伸长、子叶伸展、根系生长发育、开花和衰老等众多生理生化过程[7-8].

　　糖作为信号分子对植物的调控是研究的热点，己糖激酶（HXK）和SNF1-相关蛋白激酶（SnRK）参与植物糖感知和糖信号转导[9-10],TOR激酶在糖信号转导中也发挥重要作用[11-12].此外，糖还与植物激素相互作用调控植物的生长发育[13-15].近年来，国内外学者研究证实糖在调控植物根系生长发育过程中扮演着重要的角色。为此，笔者综述了糖对根系生长发育的影响及其调控根系生长发育机理的研究进展，以期为后续糖调控植物根系的研究提供参考。

　　1 糖影响植物根系的生长发育

　　植物体内的糖主要源自叶片光合产物，构成植物组织结构并提供能量，糖还可作为信号分子促进根系的生长发育和根系的方向性生长。近年来，国内外学者研究证实糖影响植物根系的生长发育，并取得了较大突破。

　　1.1 糖影响主根的生长发育

　　糖影响植物根系生长发育的研究报道较多。

　　Kicher 等[16]研究发现光刺激幼苗根生长信号由子叶感知，子叶光合作用产生糖类经韧皮部运输到根尖，从而促进植物主根伸长。Xiong等[17]研究发现仅外源葡萄糖或蔗糖可促进根伸长和激活根分生组织，而其他外源糖无此功效，糖酵解和线粒体氧化磷酸化过程被阻断时根系根生长及分生组织活性完全停滞。由此可断定葡萄糖作为关键营养信号分子调控叶片光合作用和促进根尖分生组织活性是通过糖酵解和线粒体氧化磷酸化来实现[17].外源葡萄糖可促进植物主根的生长，高浓度葡萄糖则抑制主根生长。从不同浓度葡萄糖处理的幼苗根尖 CYCB1;1::GUS、QC25::GUS 和 QC46::GUS 表达来看，葡萄糖不是通过影响分生区细胞分裂活性及干细胞活性，而是通过抑制根尖分生区的长度来调节主根生长[18].由此说明，选择合适的糖浓度对于植物主根生长状况是极为重要的。此外，外源葡萄糖也可增加侧根和根毛数量，且存在一定的浓度效应，即不同浓度的葡萄糖处理的根系侧根和根毛的数量均发生变化[19].

　　1.2 糖影响根系的方向性

　　植物在生长发育过程中，根系需应对重力效应并调整其生长方向以克服物理障碍，从而保持对水分和养分的最佳吸收状态。因此，根系的方向性生长对植物生长发育研究极其重要。根方向性生长是一个复杂的过程，受到多种内外环境信号的调控。研究发现，糖可诱导根方向性生长，并且蔗糖和葡萄糖促使根生长的垂向偏离最为明显，增加葡萄糖浓度能够增强根偏离度[20].淀粉粒在重力感应中具有重要作用，盐胁迫和根向水压可通过降解根尖柱细胞中的淀粉粒从而引起根生长在垂直方向的偏离[21-22],而葡萄糖诱导根生长方向的偏离并不是通过淀粉粒的降解来实现[20],因为在葡萄糖处理下，根尖柱细胞的淀粉粒并没有消失，高浓度葡萄糖下柱细胞淀粉粒的积累反而增加。

　　2 糖调控根系生长发育的机理

　　糖调控根系生长发育的机理备受关注，目前，针对糖作为营养物质影响根系生长发育的研究较少，但糖信号转导及其与植物激素的共同作用调控机理的研究报道较多。

　　2.1 糖信号转导调控根生长发育

　　2.1.1 糖信号转导 在植物体内，蔗糖是重要的光合产物，但其水解产物（葡萄糖）则是糖信号分子。HXK参与植物糖的感知和信号转导，是糖酵解的关键酶，在催1号，从而触发糖信号的传递。根据是否依赖HXK的参与，己糖信号转导可分为HXK依赖性转导和HXK非依赖性转导2种途径[23- 27].在HXK依赖性转导途径中，甘露糖和2-脱氧葡萄糖作为HXK的底物能够抑制光合基因表达，而不能被HXK磷酸化的6-脱氧葡萄糖和3-O-甲基葡萄糖或糖酵解的中间代谢物则不能引1[28].此外，通过电渗法将6-磷酸葡萄糖转入原生质体也不能抑制光合基因表达，由此说明启动糖信号的是己糖磷酸化的过程而非磷酸化糖本身[29].在HXK非依赖性转导途径中，糖诱导下基因CHS、PAL 和 ASN 在拟南芥野生型与转基因植株35SHXK1、35S-antiHXK 和 35S-ScHXK2 中的表达水平相当，由此说明该过程是不依赖HXK的[30].由于6-脱氧葡萄糖和3-O甲基葡萄糖等己糖不是HXK底物，不能被HXK磷酸化，因此，可能是通过调控己糖转运来控制己糖在细胞内的水平。Godt等[31]在红藜悬浮细胞中发现6-脱氧葡萄糖能诱导蔗糖合成酶基因和蔗糖转化酶基因表达。

　　激酶 SnRK 是调控糖信号转导的重要因子。

　　SnRK 家族包括 3 个亚家族成员 ,分别为 SnRK1、SnRK2 和 SnRK3,其中 SnRK1 与酵母 SNF1 在结构与功能非常相似。SNF1是蔗糖非发酵蛋白激酶，缺少该酶时酵母细胞不能利用蔗糖而被分离。在葡萄糖存在时SNF1表达被抑制，并且SNF1对所有已知葡萄糖依赖性抑制效应起调控作用[32].SNF1与SnRK1同属于保守异源三聚体激酶，包括催化亚基α与调节亚基β和γ。如图1所示，糖代谢中产生的葡萄糖-6-磷酸（G6P）和海藻糖-6-磷酸（T6P）可抑制SnRK1活性[33-36],蔗糖能促进T6P积累从而间接抑制SnRK1活性，糖饥饿和胁迫则能激活SnRK1蛋白激酶。SnRK1磷酸化会抑制磷酸蔗糖合成酶（SPS）、海藻糖-6-磷酸合酶（TPS）和硝酸还原酶（NR）的催化活性，从而调控植物碳水化合物及氮素代谢[35].此外，SnRK1会引起广泛的转录重编程，它能通过磷酸化激活不同转录因子家族从而抑制核糖体蛋白编码基因表达[36]1TOR 激酶是糖信号转导中的又一调控因子，是存在于真核生物中高度保守的一种大分子Ser/Thr激酶，是免疫抑制剂雷帕霉素的靶物质。雷帕霉素通过它在细胞内的受体FKBP12结合TOR的功能域FRB域，从而抑制TOR蛋白激酶的活性。TOR能够调节细胞内核糖体发生和蛋白质合成等生理生化过程，最终调控真核生物细胞的生长、增殖、凋亡和自噬[37].在酵母和动物中，TOR激酶以2种不同蛋白复合体TORC1和TORC2 形式存在，其中只有 TORC1 在植物中是保守的，包含3种蛋白质TOR,RAPTOR和LST8[38].在植物中，突变体lst8-1和TOR敲除植株表现出相似的生长表型，且都引起碳氮代谢变化[38-40].研究证实葡萄糖能激活TOR激酶，进而促进根分生组织激活。TOR信号还参与调控糖代谢。如图1所示，葡萄糖能够诱导TOR 活性，TOR 活性增强时则激活糖酵解及棉子糖合成。在拟南芥TOR RNAi株系中，TOR受到抑制会引起淀粉的大量积累及三酸甘油酯（TAG）增加，三羧酸循环（TCA）中间产物也有明显增加。突变体lst8-1及经雷帕霉素处理植株均有同样效果，这说明TOR对淀粉和TAG合成及TCA循环有抑制作用[41].

　　2.1.2 糖信号转导对根生长发育的调控 糖信号转导参与调控植物根系的生长发育，现有研究重点为HXK和葡萄糖-TOR信号调控根系生长发育，而SnRK激酶调控根生长发育研究还有待深入。

　　糖调控根生长发育有依赖HXK和不依赖HXK信号转导途径。在葡萄糖处理下，己糖激酶HXK1突变体gin2根系表现为正常生长，根长及分生组织活性与野生型类似，由此表明葡萄糖对根分生区激活并不依赖HXK参与[17].gin2在不同浓度葡萄糖处理下主根长和侧根数目变化程度明显小于野生型，所以葡萄糖对主根伸长和侧根增多的浓度效应依赖于HXK介导的糖信号响应[19].

　　已有研究证实葡萄糖-TOR蛋白激酶信号在植物根毛形成中起决定性作用，同时该信号通路也参与植物体其他组织器官的形成与发育，如子叶、叶柄、叶片及主根和侧根生长[42],为深入研究光合作用中葡萄糖-TOR 信号调控机制及其对根分生组织影响，Xiong等[17]研究发现TOR参与葡萄糖对根伸长及分生组织激活的诱导效应。例如，拟南芥幼苗在葡萄糖和雷帕霉素同时存在下，根伸长受到抑制，分生组织活性明显降低；TOR突变体幼苗在葡萄糖处理下效果类同。此外，葡萄糖可激活内源 TOR 表达。在阻断葡萄糖-TOR 信 号 时 ,生 长 素 和 细 胞 分 裂 素 报 告 基 因DR5::GFP 和 TCS::GFP 以及干细胞和静止中心的标记PLT1::GFP 和 WOX5::GFP 都能正常表达。因此，说明生长素和细胞分裂素信号及根干细胞维持过程不参与葡萄糖-TOR信号激活根分生组织过程[17].

　　葡萄糖-TOR信号调控主要代谢和次级代谢、细胞周期、转录、信号传导、运输和蛋白质折叠等相关基因的转录重编程。其中，通过比较葡萄糖-TOR信号靶基因和已报道的细胞周期相关基因发现许多靶位基因与典型G1期和S期基因相重叠，因为转录因子E2F是植物和哺乳动物调控细胞周期进程和DNA复制S期基因的主调控因子[43],对拟南芥E2Fa靶基因生物信息学分析发现，E2Fa靶基因中有95%与葡萄糖-TOR激活基因重叠。当阻断葡萄糖-TOR信号时，E2Fa激活靶基因表达被抑制。此外，对TOR和E2Fa进行WesternBlot 试验证实转录因子 E2Fa 是 TOR 激酶磷酸化的直接底物[17].

　　所以，葡萄糖-TOR信号对根分生组织的调控机制首先来源于光合葡萄糖，葡萄糖通过糖酵解和线粒体生物能传递，驱动TOR信号传导，快速控制根分生组织代谢转录网络，活化细胞周期，促进根分生组织激活。