综述 | Annual Review of Plant Biology：根发育的分子和环境调控（1区高分综述）
编译：卡德加，编辑：十九、江舜尧。
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论文ID
原名：Molecular and Environmental Regulation of Root Development
译名：根发育的分子和环境调控
期刊：Annual Review of Plant Biology
IF：18.918
发表时间：2019.3
通讯作者：Tom Beeckman
通讯作者单位：比利时根特大学植物生物技术与生物信息学系
DOI号：doi.org/10.1146/annurev-arplant-050718-100423
主要内容
在植物中，根系统是由胚胎发生时期开始的根顶端分生组织发展而来的地下器官，可能是由多个非根源的不定根顶端分生组织发展而来。一般来说，生长的幼根有一个相对简单的径向组织，其中的维管圆柱或中柱被同心圆的地面组织层（皮层、内胚层）所包围，并由根的表皮或根真皮中生长出来，可以产生根毛。根尖周围有根帽覆盖（root cap），这是一种保护组织，根据化石记录，早在泥盆纪时期就已经存在于石松属植物中。除了径向结构外，根大致包括三个纵向区域:分生组织区（meristem）、伸长区（elongation）和分化区（differentiation）（图1）。在分生组织区，所有的细胞类型都起源于一个或多个位于最顶端的前体或干细胞（干细胞龛）（stem cell niche）。
当干细胞分裂时，它们产生组织特异性的转运扩增细胞，而这些细胞反过来又反向分裂，产生构成分生组织的大量细胞。离开分生组织的细胞开始在伸长区向各向非均速扩展，然后在分化区成熟为最终的形状并具有功能。细胞增殖率和随后的伸长率推动根干细胞龛在土壤中前进，并决定了根的生长速度。
图1 初级根的解剖和通过调节分生组织区域的细胞分裂或伸长区域细胞的伸长来促进根生长的途径，以及影响这些途径的环境因素（红色箭头）。
A：根分生组织和分生组织中细胞分裂的详细分子机制。
B：根的生长。由于细胞伸长取决于生长素水平，所以细胞通过A图中显示的分子分子进行分裂，生长素的转运(由蓝色虚线箭头表示)也同样如此。在伸长区，生长素通过细胞的协同活动来诱导细胞的扩张SAURs、AHAs和细胞壁修饰蛋白。NRT1.1激活生长素信号。ROS信号通过使细胞壁变硬而阻碍细胞扩张。
C：受方向刺激的根。由于PIN3和PIN7生长素转运蛋白在小柱中的重新定位而导致的生长素转运的差异（以不同的箭头大小表示），从而导致生长素分布的改变。高水平的生长素抑制细胞伸长。因此，根向生长素水平较高的一侧弯曲。对图中所示途径之一有影响的环境线索用红色表示。
1.1 干细胞生态位和近端分生组织的转录控制
关于分生组织功能的大部分知识来自拟南芥分生组织，其中干细胞位于一个四细胞静止中心（quiescent center）周围。静止中心细胞的遗传或物理消融导致分生组织的崩溃、增殖活性的丧失和分化的开始，这表明静止中心在阻止干细胞分化中的作用。根分生组织中静止中心的这一关键功能在很大程度上依赖于转录因子WUSCHEL-LIKE HOMEOBOX5 (WOX5)的活性。WOX5基因在静止中心特异表达，通过抑制CYCD3；3的表达抑制细胞增殖，WOX5可以从静止中心进入毗邻的细胞，在那里抑制分化。WOX5在其他双子叶和更古老的分支谱系中发现利了wox5突变体同源基因，这表明WOX5在干细胞龛中的作用被广泛保留。
PLETHORA（PLT）转录因子家族成员是根器官发生的主要调控因子。多个PLT中的突变对根分生组织有深远的影响，包括一个有缺陷的干细胞龛。在胚胎发生过程中PLT过表达非常强烈，导致异位根发育，而中等剂量的PLT维持转运扩增细胞的增殖并抑制其伸长，表明PLT水平存在剂量依赖性。这与PLTs在根分生组织分生带中的中心作用是一致的。对PLT-应答转录网络的分析证实了PLTs是根器官发生的主调节因子，通过激活增殖和抑制分化。
GRAS转录因子SCARECROW（SCR）具有细胞自主功能，部分定义为静止中心的确认，调节皮质-内胚层起始子细胞分裂和刺激内胚层分化。此外，SCR激活MIR165在内胚层，它扩散到周围组织以控制非径向对称的维管束模式和转运扩增细胞的增殖。为了能够影响这些不同的过程，SCR形成组织特异性的高阶转录因子复合物。SCR的主要相互作用伙伴之一是stele-expressed GRAS转录因子（SHORT ROOT, SHR），它通过胞间连丝协同进入SCR表达域。
1.2 生长素分布调节根的顶端分生组织和根的伸长
根系发育是多种植物激素共同作用的结果。在这些植物中，生长素是一个重要的指示信号，许多其他植物激素会聚集在生长素上调节根的发育。在胚胎发生过程中，生长素的分布模式决定了胚胎根开始发育的位置。在发育后期，生长素在分生组织及其周围的分布规律指导着根的分生组织、损伤后的再生、根的生长和侧根间距。对生长素响应基因的空间动态分析、合成的生长素信号转导报告的读出和对生长素运输的模拟一致地预测了生长素梯度的存在，该梯度以物质的生长素最顶端为中心，并在接近末端时逐渐降低。事实上，一个生长激素信号的陡坡和其在静止中心的峰值需要维持小柱干细胞身份，细胞分裂和小柱脱落。此外，植物生长素和PLT蛋白在根分生组织中的梯度是紧密相连的。生长素可诱导PLT表达，PLT直接控制PIN介导的生长素转运和生长素合成。
生长素在分生组织内流动的改变，正如在向性运动中所看到的那样，使得生长素在根尖的分布不对称，从而抑制了伸长，并因此改变了根的生长方向。PIN3和PIN7是调节生长素在定向刺激下在小柱内重新定位的关键。随后，PIN2和AUX1运输生长素，因此PIN2和AUX1在大多数向性运动中是必需的，但不负责生长素分布的变化。值得注意的是，并不是所有的向性都是通过调节生长素稳态和信号传导来起作用的。亲水性，即根向更高水势的弯曲，就是这样一个例子，它实际上依赖于脱落酸（ABA）。
低生长素水平刺激伸长的机制尚不清楚，但可能与在芽中起作用的机制相似。在下胚轴中，基于TIR1/AUXIN-SIGNALING F-BOX (AFB)机制的生长素感应激活Small Auxin Up RNAs (SAURs)的转录。这些SAURs激活了质膜定位的质子ATPases (AHAs)通过激活扩张素和其他细胞壁修饰蛋白来降低非原生质体pH值，从而促进细胞扩张。有趣的是，通过在扩张的表皮细胞中表达稳定的AXR3/吲哚-3-乙酸17 (IAA17)亚型来抑制生长素信号，使根生长部分地抵抗生长素，这表明更多的典型转录生长素信号的下游成分参与了这一非转录途径。然而，Aux/IAAs最典型的相互作用伙伴，如AXR3/IAA17，是生长素应答转录因子(ARFs)，这增加了生长素依赖的TIR-Aux/IAA相互作用的胞内靶点仍未被识别的可能性。
值得注意的是，活性氧（ROS）信号独立于生长素影响根的生长。更具体地说，ROS信号调节细胞增殖和伸长之间的平衡，控制根分生组织中PLT的表达，甚至通过控制SCR和SHR的表达参与静止中心的识别。
2.1 水平侧根
在被子植物的根中，分枝是通过侧根的形成而发生的，严格地说，侧根是在现有根上形成的根。这与不定根相反，不定根是由非根组织产生的。在进化过程中，第一个根出现在早泥盆纪的石松中，但没有产生侧根。在这些第一批陆生植物中，根通过不断地劈开根尖而在土壤中扎根，从而产生双根分生组织（twin root meristems），这种分叉现象仍可以在现存的卷柏中观察到。在这一进化过程中，根系通过产生侧根获得了向土壤横向扩展的能力，这是一种更有效的根系分枝策略，不仅增加了分枝能力，而且对变化的土壤条件提供了发育可塑性。这些不同的根类型对成熟根系的贡献在不同的类群中是不同的。一般来说，单子叶植物，如禾本科植物，主要利用带有侧根的不定根来建立其须根系统，而双子叶植物，如拟南芥，主要产生主根系统，主根是所有侧根及其分枝的来源。
2.1.1 木质部柱鞘细胞
在拟南芥中，和大多数被子植物一样，新的侧根开始于木质部的中柱，称为木质部中柱中柱（XPP）细胞。中柱鞘（pericycle）是一种单层组织，包裹着根的中心维管组织（图2）。因为它被限制在内皮层，所以通常认为中柱是中柱的一部分。此外，越来越多的证据表明，在韧皮部和木质部的周鞘细胞在胚后根中是不同的，它们与各自邻近的维管组织有共同的特征。AHP6是细胞分裂素信号的负调节因子，是正常原生木质部形成所必需的，它在发育中的原生木质部和相关的周细胞中表达。这说明XPP细胞能够形成侧根的特征与维管模式有关。后续的发育步骤可总结为:（a）XPP细胞的一个子集构成侧根的雏形，（b）侧根起始（第一个可见事件,一个不对称的细胞分裂模式），（c）侧根原基的形成（建立一个新的分生组织）,和（d）侧根出现（通过覆盖原基细胞的通道）（图2）。
2.1.2 侧根根祖细胞的规格:生长素反应中的根帽和振荡
由于持续的垂周分裂（anticlinal division）和细胞伸长，XPP细胞离开分生组织，暴露在生长素信号的最大值下，这可以通过DR5的生长素响应标记观察到。由于这一最大值不是组成性的，而是周期性的峰值，这些峰值被生长素低反应期打断，因此提出了在基因表达中存在振荡行为的观点，并将发生振荡的根区称为振荡区。振荡区大致描述了根尖从过渡区向延伸区延伸的区域。只要生长素响应的峰值振幅足够强，并且维持在伸长区，这种相关性就成立。生长素最大值出现后，根分生组织的持续活动产生新的根组织，在一段时间内(需要4-6小时才能观察到一个新的峰值)，细胞离开分生组织而不暴露于生长素响应最大值，然后重复这个过程。在根帽中程序性细胞死亡的动力学似乎参与了控制振荡模式，导致分支前部位（prebranch sites）的反复形成。
2.2 侧根出芽和根分枝角
萌发后，侧根至少在开始时，在非垂直方向远离植物的主轴生长。这有助于根系的径向扩展，增加对重要资源的获取，并增强土壤中的锚固力。早期出现的侧根仍然缺乏伸长带，垂直于初生根生长。随着根的生长，通常重力会影响细胞的伸长，而根开始弯曲。有趣的是，在这个角度之后，侧根在所谓的高原期（plateau phase）继续生长，保持着相同的重力设定值角度（gravitropic set-point angle），没有表现出完全的重力响应。这一高原期是可变的，早期侧根与后期侧根相比，一般表现出较长的高原期。高原阶段在另一种重力作用后结束，这将导致第二次弯曲和更强的垂直生长，通常导致弯曲角度在0°和30°之间。因此，在侧根出现和生长的不同阶段，重力作用信号被削弱或抵消，从而导致侧根的非垂直生长。
虽然侧根分生组织在许多方面与初生根分生组织相似，但它们在重力作用下显然具有不同的分子机制，这一区别有助于优化根系结构。造成这种差异的部分原因可能是LZY/DRO/NGR基因影响生长素的流动。因此，长出的侧根受到重力回归机制的影响，这种机制与初生根相似，但这些机制和其他机制的不同调节抵消了总向下生长，有助于根系的径向扩展。
2.3 侧根和不定根
侧根和不定根共享遗传和激素调节网络的关键元素，但受到不同的调节机制。虽然ARF7和ARF19转录因子在侧根起始阶段，对于激活下游LBD16转录调控因子是必不可少的，但在不定根形成过程中，ARF7和ARF19的功能被另一个转录因子WOX11所取代。有趣的是，虽然它们也产生于初生根周鞘，但拟南芥的非顶瓣根（nonacropetal roots）似乎需要WOX11而不是ARF7或ARF19活性来启动。诱导侧根的替代机制的存在肯定会增强根系的分枝能力，例如，在不寻常的情况下，如受伤或特殊的环境条件下拟南芥根受到WOX11的介导。在其他双子叶植物的宿存根中，根甚至可以从次生组织中产生，这再次证明，除了侧根外，根确实可以产生真正的不定根。在这些多年生物种中，根形成的分子机制仍有待研究。
3. 根对环境的反应
3.1营养和营养缺乏
矿物质营养素对于植物的结构、信号或代谢成分是必不可少的，因此对植物的生长至关重要。由于这些营养物质几乎完全是从土壤中获得的，所以根系是获取它们的关键，并且对营养条件的变化反应灵敏。特别是当养分在土壤中呈现出普遍的不均匀分布时，一个可塑的根系是很重要的。更具体地说，根可能通过形成一个根系统来应对营养匮乏或营养丰富的patch，从而分别进行更大范围的探索或获得更多的营养。此外，某些营养物质，特别是可移动的营养物质，如硝酸盐，在较深的土层中含量较多，而不可移动的营养物质，如磷酸盐，在较浅的土层中含量较多。同样，深而陡的根系更有利于获得流动养分，但如果固定的养分是限制因素，则对植物来说是一种浪费的投资。
3.1.1 磷酸盐
磷酸盐是根中磷的唯一来源，磷是几种重要细胞成分(如核酸、磷脂和ATP)中的主要元素，因此对植物的健康至关重要。因此，植物根系对磷肥饥饿反应强烈。缺磷一般会导致根系较浅，通过抑制初生根系生长，刺激根系轴向分枝，增加不定根的水平生长角度，以增加对表层土的勘探或采食。在拟南芥中，磷依赖的根系生长抑制部分是由铁的吸收增强引起的，事实上，磷酸盐缺乏通常会导致有机酸的分泌，帮助从结合阳离子中释放阴离子磷酸盐，但这些酸同时也释放铁。铁随后导致胼胝质沉积在胞间连丝，阻止了正确的SHR运动，并影响SHR、SCR、WOX5的表达，并能促进根分生组织细胞的分化。此外，铁含量的增加导致延伸区ROS信号的产生，从而刺激细胞壁的硬化，进一步增强根系生长抑制。增强的分枝导致更多的根尖生成，这些也是主要的磷素吸收位点。
3.1.2 氮元素
氮作为氨基酸和蛋白质的中心元素，对植物的功能起着至关重要的作用。氮主要以铵或硝酸盐的形式被根系吸收。这两种形式具有不同的、有时相反的属性，并以特定的方式影响根系统体系结构。铵的作用为抑制根伸长和向心作用，而硝酸盐则刺激根伸长，如果在局部存在，这两种氮都会刺激植物的根分枝。在土壤缺氮地区，根系生长可能通过激活硝酸盐转运体1.1 （NRT1.1）的生长素转运功能而受到抑制，从而阻碍了侧根原基中生长素的积累，进而抑制了其进一步发育。另外，缺氮可能通过诱导抑制侧根原基的生长激活CLAVATA1信号的CLE肽。另一个肽家族，C-末端编码肽（CEP），在缺氮时也被诱导到根中，并被运输到芽中诱导CEP下游（CEPD1和CEPD2）。在这里，NRT1.1的受体功能变得非常重要，并诱导了控制侧根起始、侧根伸长和初生根伸长的信号通路。这一途径包括TCP20转录因子，它最近被证明与PLTs和SCR相互作用以控制WOX5的表达。因此，这两种氮素形式，特别是在局部存在的情况下，对侧根的形成有积极的影响，相反，缺氮通常会减少侧根的形成。这一策略允许植物将其根分枝代谢需求的成本降至最低，并投资于营养觅食的根伸长。事实上，研究表明，侧根较少的玉米品种在缺氮情况下表现得更好，因为它们的根系较深，吸收了更多的氮。
3.1.3 其它营养
除了氮和磷，其他营养物质对根系也有明显的影响，但对其控制机制知之甚少。在拟南芥中，硫、镁和铁的缺乏导致侧根密度降低，而钾、钙、锌、锰和硼的缺乏导致侧根密度增加。除缺锌根外，侧根密度增加，初生根生长受到抑制；因此，侧根在多大程度上受到营养缺乏的有效诱导并不总是很清楚。锰过量对植物生长素的生物合成和PIN4、PIN7的表达有负面影响，可能与侧根密度降低有关。同样，过量的铁会抑制PIN2并对侧根的形成产生负面影响，同时会诱导AUX1来触发根的伸长。
3.2 水和干旱
水对植物来说显然是非常重要的，根已经发展出不同的策略来专门寻找水。如果干旱不是太严重，将促进根的生长，并使植物探索更深层次的土壤。同样，DRO1的诱导使根系更加陡峭，耐旱性增强。然而，这并不涉及具体的干旱反应，而是基于增强的重力作用。干旱感知和下游信号对生长的响应涉及一个复杂且尚未完全理解的网络，其中ABA信号扮演着关键角色。ABA在干旱反应中必不可少，并且在干旱胁迫下迅速增加。ABA可诱导PIN2和AUX1生长素转运蛋白编码基因，导致生长素向表皮和皮层细胞再分布增加，从而刺激细胞伸长。亲水性也受ABA的调控，但不需要生长素转运或再分配。较低的水势会影响ABA信号，尤其是在延伸区皮层细胞中，触发细胞扩张，从而使根系向较高的水势弯曲。与水胁迫诱导和依赖生长素的根伸长相比，ABA本身是亲水过程中细胞伸长的中心。
土壤水分分布不均也会影响侧根的形成。因此，侧根将优先定位于可用的水，这一过程称为水培。相反，在完全没有水的环境下，例如在气隙（air gap）中，将阻止侧根的形成。水成图（hydropatterning）和干分枝（xerobranching）机制都是适应水的有效性，使根有效地利用内部资源。在局部干燥微环境中，侧根起始的普遍阻滞可能为这两种反应提供了类似的控制机制。干分枝与ABA信号的增加相一致，这与其他水或干旱反应相似，可能是这一机制的关键。相反，在ABA信号突变体中，水成图是不受影响的，这表明ABA不是这种反应所必需的。与缺氮一样，侧根较少但较长的玉米品种也更耐旱。这表明，在干旱微环境中减少侧根的形成有利于植物应对一般的干旱胁迫条件。
4 前景展望
研究者对根生物学的理解来自不同的角度。根据研究对象的根发育情况的不同，从信号分子到根系统结构的分辨率可能会有很大的差异。长期以来对根发育的深入研究，主要是利用拟南芥等参考物种。初生根及其分生组织和干细胞龛揭示了它的许多秘密。蛋白质-蛋白质相互作用的发现和验证在方法学上取得了巨大的进展，这预示着根系发育研究进入了一个新时代。研究者预计，这将为研究侧根的形成和对环境线索的反应产生重要的新贡献。目前，关于如何控制发育的蛋白质网络的信息很少。而第二个重要的新趋势是在体内观察和研究根的发育过程。特定细胞系的产生与改进的显微装置相结合，使得对发展过程的动态分析成为可能，而这在以前是不可见的，甚至被认为是不存在的。利用DR5::LUC标记是这一趋势的典范，并引入了新的发展阶段之前侧根启动与概念，如分支前的位置和振荡区，其他标记也有助于识别根帽在根分枝中的作用。
总结
利用拟南芥模型系统进行的数十年根系研究，使人们对调控根系发育的分子机制有了更深入的了解。研究者的综述表明，目前的根研究仍在稳步提高和加深研究者对根发育过程的理解。最近关于根发育领域进展的三个例子是：非转录但TIR依赖的根生长调节、WOX11依赖的替代侧根通路以及翻译后修饰影响ARF7对侧根形成的作用。尽管环境线索对未来应用研究策略很重要，但与对根发育分子调控的深入了解相比，对环境线索如何与控制根生长和侧根形成的途径相互作用的理解仍然有限。根据目前的研究进展和不断扩大的根研究群体，越来越多的环境-根发展交叉的途径有可能在不久的将来被揭开神秘的面纱。此外，单细胞研究在植物根系上的研究也已拉开序幕，这将不断加深科研人员对根系-环境相互作用的认知。
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