在植物的生长历程中，根系向地性是一个极为关键的特性。它就像植物的 “定位器”，帮助植物扎根土壤，吸收水分和养分，对植物适应陆地环境起着决定性作用。然而，乙烯信号在根系向地性调控中的具体机制却如同迷雾，一直困扰着科研人员。
为了揭开这层神秘的面纱，南京农业大学的研究人员展开了深入探索。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为我们揭示了全新的植物根系向地性调控机制。
研究人员采用了多种关键技术方法。在基因编辑方面，运用 CRISPR/Cas9 技术对相关基因进行敲除，构建突变体，以研究基因功能；借助 RNA 测序技术，分析不同条件下基因的表达差异，挖掘参与调控的关键基因和通路。同时，利用各种分子生物学实验技术，如酵母双杂交、双分子荧光互补等，探究蛋白之间的相互作用。
研究结果如下：
- crw1 根系在水中卷曲但在土壤中正常生长：研究人员筛选出水稻突变体 crw1，其在水培条件下根系卷曲，在土壤中生长时根系向地性正常。进一步研究发现，crw1 根系在水培时根冠较小、生长素分布不对称且向地性反应受损，而在土壤中这些表型均得到恢复123。
- 克隆 crw1 的致病基因：通过回交实验和基因定位技术，确定 COILING ROOT IN WATER 1（OsCRW1）为导致 crw1 表型的致病基因。OsCRW1 编码一种 F-box 结构域蛋白（OsEBF1），其功能缺失会导致乙烯信号增强。在 crw1 中，OsCRW1 基因发生大片段缺失，致使转录完全丧失4。
- 水培条件下 crw1 乙烯反应升高：对 WT 和 crw1 进行 RNA 测序分析，发现水培时 crw1 中乙烯响应基因显著富集。进一步研究表明，OsCRW1/OsEBF1 可降解核心乙烯反应转录因子，如 OsEIL1 和 OsEIL2。在 crw1 中，OsEIL1 和 OsEIL2 蛋白积累，导致乙烯信号放大，引发根系卷曲表型5。
- OsEIL1 和 OsEIL2 作用于乙烯反应因子 OsERF82：通过分析转录组数据，研究人员发现 OsERF82 是 OsEIL1 和 OsEIL2 的直接靶基因。敲除 OsERF82 可在很大程度上挽救 crw1 在水中的根系卷曲表型，表明 OsERF82 在乙烯信号放大和根系卷曲过程中起关键作用6。
- OsEIL1/OsEIL2 - OsERF82 - ROS 关系控制向地性：RNA 测序显示，水培时 crw1 中与活性氧（ROS）产生相关的基因富集。实验表明，crw1 根尖 ROS 水平升高，加速根冠细胞脱落，破坏 OsPIN2 定位和生长素分布，进而影响根系向地性。而敲除 OsEIL1、OsEIL2 或 OsERF82 可降低 ROS 水平，恢复根系表型7。
- 根尖的机械阻力挽救了 crw1 的根系卷曲表型：研究发现，在水饱和的稻田土壤或其他软固体介质中，根系受到的机械阻力可挽救 crw1 的根系卷曲表型。当机械阻力达到一定程度（≥34 Pa）时，可恢复根冠大小、生长素分布和根系向地性，表明根尖是感知机械刺激的位点8。
- 机械感知挽救 crw1 表型需要根冠中的钙信号：研究表明，机械感知诱导的钙（Ca²⁺）信号在挽救 crw1 根系向地性中起关键作用。Ca²⁺通道阻滞剂可抑制根冠中 Ca²⁺信号，消除机械阻力对 crw1 根系表型的挽救作用。同时，Ca²⁺信号通过抑制 OsEIL1 和 OsEIL2 积累，进而抑制乙烯信号放大，维持根系向地性9。
- 水培条件下根系卷曲表型在天然水稻品种中存在：研究人员在筛选 230 份水稻种质资源时发现，部分天然水稻品种在水培时也出现根系卷曲表型，且该表型与 OsCRW1 转录水平相关。添加乙烯反应抑制剂可使卷曲根系变直，表明这些品种的表型可能由增强的乙烯信号引起10。
研究结论和讨论部分指出，本研究揭示了 OsCRW1（OsEBF1）-OsEIL1/OsEIL2-OsERF82-ROS 分子模块在连接乙烯信号与水稻根系向地性中的重要作用。同时，发现根冠机械感知可限制过度的乙烯信号，保障水稻根系向地性生长。此外，机械感知诱导的 Ca²⁺信号在平衡乙烯 - 生长素信号通路以维持植物根系向地性方面发挥了意想不到的作用。这一研究成果不仅为植物根系向地性调控机制提供了新的理论依据，也为未来作物改良提供了潜在的靶点和理论支持，对农业生产和植物科学研究具有重要的指导意义。
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