植物根系Phi增厚结构的进化保守性与茉莉酸诱导机制研究

《Annals of Botany》：Structural Conservation of Phi Thickenings in Diverse Plant Taxa

本研究针对植物根系中广泛存在但功能未知的Phi增厚结构，通过共聚焦显微镜系统比较了17个科植物中Phi增厚的三维结构特征，并揭示了茉莉酸(JA)在不同植物科中诱导Phi增厚形成的保守机制。研究发现Type 1型Phi增厚在被子植物和裸子植物中具有高度保守的结构特征，且JA信号通路在芸苔科、豆科、牻牛儿苗科等植物中均能诱导Phi增厚形成，为理解这一古老结构的机械支撑功能提供了新证据。

　　

在植物学研究中，有一个存在了150多年却依然神秘的结构——Phi增厚(Phi thickenings)。这种环绕在根皮层细胞周围的木质化次生细胞壁带，自19世纪被Nicolai(1865)和van Tieghem(1871)首次描述以来，在众多被子植物和裸子植物根系中被发现，但其生物学功能至今仍是个谜。更令人困惑的是，尽管Phi增厚在植物界分布广泛，不同物种间的结构是否存在进化上的关联，以及它们是如何发育形成的，一直是未解之谜。

传统的根系解剖学教科书通常将次生细胞壁的形成局限于中央维管柱和内皮层，但Phi增厚的存在显然打破了这一认知。这些结构因在横切面上呈现类似希腊字母Φ(phi)的形态而得名，早期被Russow(1875)定义为环绕皮层细胞的单一带状结构。随着研究深入，人们发现Phi增厚存在多种形态，从规则的带状到不规则网状结构，特别是在兰科植物中发现的复杂分支模式，甚至被描述为"假根被"(pseudovelamen)。近年来，研究者将Phi增厚的定义扩展为"内皮层外皮层中所有呈现带状模式的木质化次生细胞壁"，这一定义涵盖了更广泛的形态变异。

为了解开Phi增厚的神秘面纱，澳大利亚国立大学和纽卡斯尔大学的研究团队在《Annals of Botany》上发表了最新研究成果。研究人员采用共聚焦荧光显微镜技术，对来自17个不同植物科的Phi增厚结构进行了系统比较，并深入探究了应激激素茉莉酸(jasmonic acid, JA)在调控Phi增厚发育中的作用。

研究团队运用了几项关键技术方法：通过共聚焦荧光显微镜进行根系结构三维重建，利用碱性品红(basic fuchsin)特异性染色木质化细胞壁，钙荧光白(calcofluor white)标记一般细胞壁，建立了Phi增厚的定量评分系统(0-5分)，并采用茉莉酸处理和抑制剂(如布洛芬)实验来解析信号通路。实验材料涵盖土壤栽培和琼脂平板培养的多种植物根系，包括芸苔科、豆科、牻牛儿苗科等代表性物种。

Phi增厚结构在多个真双子叶植物科中具有保守性

通过对七个真双子叶植物科的比较解剖学研究发现，Phi增厚在绝大多数物种中显示出惊人的结构保守性。在芸苔科的 Brassica oleracea 中，Phi增厚形成相互连接的支架结构，整齐地环绕在内皮层外的皮层细胞周围。值得注意的是，芸苔科植物还独有一种精致的网状结构(reticulate network)，位于细胞内侧紧邻内皮层的位置。正交重建技术显示，这些Phi增厚网络形成了一个完整的环状结构，包围着中央维管柱。

豆科植物 Libidibia ferrea 的Phi增厚同样位于内皮层外的内皮层，结构与芸苔科相似，但木质化分布存在差异——增厚中心区域的木质化程度高于周边。接骨木科(Viburnum opulus)、蔷薇科(Photinia glabra)等植物中也发现了类似的结构保守性。特别有趣的是，牻牛儿苗科(Pelargonium australe)和苦苣苔科(Streptocarpus caulescens)的Phi增厚位于表皮下层(Type 2)，而非典型的内皮层外位置，但它们的网络结构仍与芸苔科相似。

兰科植物中Phi增厚结构的多样性

与上述保守模式形成鲜明对比的是，兰科植物的Phi增厚表现出极高的多样性。Rhyncholaelia digbyana 的Phi增厚形成于中皮层(Type 3)，由多个同心环状的次生细胞壁组成；而石斛属(Dendrobium speciosum)则呈现出极其复杂的不规则网状结构，这些结构环绕单个皮层细胞，并与相邻细胞的网络相互连接，代表了von Guttenberg(1968)描述的"网状增厚"(Netzverdickungen)的极端形式。

裸子植物中Phi增厚的保守结构

研究还首次系统报道了裸子植物中Phi增厚的结构特征。银杏(Ginkgo biloba)、柳杉(Cryptomeria japonica)、贝壳杉(Agathis robusta)和欧洲红豆杉(Taxus baccata)等五种来自三个不同目的裸子植物中，均发现了典型的Type 1型Phi增厚，位于内皮层外的内皮层。三维旋转重建显示，这些裸子植物的Phi增厚网络与被子植物具有相似的结构特征。

JA和盐胁迫快速诱导芸苔根系Phi增厚形成

在发育机制研究中，团队发现茉莉酸(JA)处理比盐胁迫能更快速地诱导 Brassica oleracea 根系Phi增厚的形成。转移实验表明，JA处理在12小时内即可诱导Phi增厚出现，比盐处理快约5小时。此外，网状结构的形成在JA处理下仅略慢于Phi增厚发育，而在盐处理中则明显延迟。

光照条件对Phi增厚诱导的影响因物种而异：在芸苔中，黑暗条件下低浓度盐处理会诱导更多Phi增厚，而高盐条件下无显著差异；但在高浓度琼脂培养基上，黑暗条件下形成的Phi增厚明显多于光照条件。

JA诱导Phi增厚在芸苔科中普遍存在，拟南芥除外

研究证实JA能在芸苔科大多数物种中诱导Phi增厚形成，但在拟南芥属(Arabidopsis spp.)中却完全无效。对21个不同拟南芥(A. thaliana)生态型和1个琴叶拟南芥(A. lyrata)生态型的筛选均未发现Phi增厚或网状结构的诱导。研究人员认为，这与拟南芥简单的根系结构有关——其内皮层和表皮之间仅有一层皮层细胞，缺乏典型的内皮层身份，因而无法形成Phi增厚。

细胞形态测量数据支持这一假设：拟南芥中唯一的皮层细胞相对大小与其他芸苔科物种的外皮层细胞相似，而显著大于这些物种的内皮层细胞。这表明拟南芥的皮层细胞可能具有外皮层身份，缺乏形成Phi增厚所需的内皮层特性。

JA依赖性Phi增厚诱导在其他植物科中保守

研究还发现JA依赖性Phi增厚诱导不仅限于芸苔科。在豆科的 Senna occidentalis 中，琼脂培养的根系原本缺乏Phi增厚，但JA处理能浓度依赖性地诱导其形成。牻牛儿苗科的 Geranium robertianum 中，光照条件下Phi增厚能自发形成，而黑暗条件下则需JA诱导才能发育。木犀草科的 Reseda odorata 在JA处理下也会在内皮层外形成特殊的次生细胞壁带。

这项研究得出几个重要结论：首先，Phi增厚在系统发育关系较远的被子植物和裸子植物中显示出显著的结构保守性，特别是在Type 1型增厚中。这种跨类群的保守性强烈暗示Phi增厚在根系中扮演着重要角色，很可能是机械支撑生长中的根尖。其次，JA信号通路在多个植物科中介导Phi增厚形成，表明这一调控机制在进化上可能具有深远的起源。

然而，研究人员提出了一个更具挑战性的观点：Phi增厚可能不是同源结构，而是趋同进化的产物。如果Phi增厚是古老结构的保留，那么其形成能力应该在种子植物共同祖先中就已存在，并在漫长进化历程中在多个谱系中独立丢失。另一种更合理的解释是，Phi增厚可能是根系为满足机械支撑需求而多次独立进化出的结构特征，类似于C₄植物叶片中克朗兹结构(Kranz anatomy)的趋同进化。

JA在Phi增厚发育中的普遍作用为理解其进化提供了新视角。虽然JA以调控植物防御反应闻名，但它在生物力学响应中的潜在作用可能为Phi增厚的多次独立进化提供了基础。JA已知能调控次生细胞壁发育，这一通路可能被"招募"用于Phi增厚形成，即使这些结构是独立进化的。

这项研究不仅为理解Phi增厚这一古老而神秘的结构提供了重要线索，也为研究植物根系适应性进化和机械支撑机制开辟了新途径。超过一个半世纪后，科学家们终于开始揭开Phi增厚的神秘面纱，这些发现对于理解植物根系如何适应不同环境压力具有深远意义。