Science | 作物根系对水分的响应机制

2025年2月美国斯坦福大学Johannes D Scharwies 等人在Science期刊发布了题为“Moisture-responsive root-branching pathways identified in diverse maize breeding germplasm”的文章，该文章基于250个玉米自交系，探究玉米根系在不同水分条件下的分支模式(水合模式)及其遗传机制，揭示了生长素和乙烯信号通路在根系结构调控中的关键作用。

一种新的垂直培养系统：

利用发芽纸创建一个受控的水分梯度，让玉米幼苗主根沿湿润滤纸生长，使玉米主根周围形成水分可用性差异，利用荧光染色标记细胞壁和细胞核，观察并记录不同自交系的侧根在接触水分侧和空气侧的形成情况，计算侧根密度和空气侧侧根的百分比。

植物通过根系分支向湿润区域定向生长，更高效地获取水分和养分。这种生长模式与生长素和乙烯信号通路紧密相关。

图1.水分梯度下玉米根系分支表型的多样性

由于自然选择驱动，热带 / 亚热带玉米种质的根系分支对水分胁迫响应能力显著高于温带种质。不同亚群在空气侧侧根密度的 QST(基于表型的遗传分化)显著高于FST(基于基因型的遗传分化)，表明该性状的分化不是偶然形成，而是自然选择驱动的结果。

图2.水合模式的全基因组关联分析与候选基因定位

玉米中与拟南芥同源的基因(如ZmAXR1、ZmHRD3A、ZmFLA4)，通过调控激素信号通路影响根系构型基因。如：ZmFLA4通过调控乙烯合成通路(ACS-ACC-乙烯)抑制空气侧根分支。

图3.生长素与乙烯调控根系分支的基因功能验证

生长素通过激活接触水分侧的侧根原基形成，促进根系向水分富集区延伸。乙烯通过抑制空气暴露侧的侧根发育，优化根系构型以减少代谢消耗。水分响应根部分支能力与根系深度、支撑根数量显著相关，该性状对作物抗旱性具有潜在应用价值。

图4.乙烯介导的根系分支抑制机制与抗旱性模型

该研究开发了新型玉米水分响应分支实验装置，通过分析250份自交系，揭示了热带 / 亚热带与温带玉米品种间水合模式的遗传分化机制。发现生长素通路促进接触侧分支，乙烯信号抑制空气侧发育，为作物抗旱育种提供理论依据和基因靶点。

doi: 10.1126/science.ads5999