在农业生产的大舞台上，干旱就像一个可怕的 “反派”，严重威胁着作物的生长和产量。玉米作为全球重要的粮食作物，在露天种植时，常常受到土壤水分不足的困扰。根系作为植物吸收水分和养分的 “先锋部队”，其对干旱的适应能力至关重要。然而，目前人们对于玉米根系在干旱条件下，代谢物变化的分子机制了解还十分有限。为了攻克这一难题，西北农林科技大学的研究人员挺身而出，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。
研究人员运用 RNA 测序（RNA-seq）和超高效液相色谱 - 串联质谱（UPLC-MS/MS）技术，对处于中度干旱（MD）和重度干旱（SD）条件下的玉米幼苗根系进行代谢组和转录组分析。
在研究方法上，研究人员选取玉米品种陕单 609 的种子，经消毒、催芽后移栽到装有沙子的塑料盆中，在可控生长室培养。通过控制浇水量设置不同干旱处理组：正常浇水（CK，相对含水量 85%）、中度干旱（MD，相对含水量 50%）和重度干旱（SD，最终相对含水量 35%）。实验中测定了沙子水势、根系溶质势等指标，还进行了转录组测序、代谢组分析、qRT-PCR 分析等实验 。
研究结果如下：
- 根系形态响应：MD 处理下，玉米根数量增加；SD 处理下，根长增加且根冠比升高，植株整体在 MD 下生长状态较正常。
- 解剖和生理响应：干旱尤其是 SD 导致根皮层细胞列数减少，根中活性氧（ROS，如O2−、H2O2）水平上升，丙二醛（MDA）含量增加，表明细胞膜氧化加剧。不过，MD 处理时超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）等抗氧化酶活性明显提高，SD 处理时 POD 和 CAT 活性下降 。
- 特殊代谢物分析：代谢组分析共检测到 460 种差异积累代谢物（DAMs）。其中，158 种在 MD 和 SD 处理组中都存在，98 种仅在 SD 处理组出现。聚类分析发现，部分代谢物在 MD 和 SD 处理下富集，89 种酚酸类代谢物在干旱处理下持续积累，48 种与木质素合成相关。
- 差异表达基因（DEGs）分析：转录组分析构建 9 个 cDNA 文库，分别在 CK_MD、CK_SD 和 MD_SD 组中鉴定出 903、5306 和 3493 个 DEGs。GO 富集分析显示，MD 处理根中与渗透胁迫响应、激素代谢等相关的基因显著富集；SD 处理根中与木质素生物合成、次生代谢等相关的基因显著富集。还鉴定出 516 个差异表达的转录因子（TFs），不同 TFs 在不同干旱处理下表达模式不同。
- DAMs 和 DEGs 共表达分析：通过 WGCNA 分析确定了与干旱响应密切相关的模块，关键木质素合成代谢物受特定 DEGs 调控，还发现一些参与木质素合成和激素信号调控的关键 TFs，表明三者相互关联有助于根系适应干旱。
- 木质素生物合成途径分析：干旱胁迫下，玉米根中木质素合成途径相关基因如苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸 4 - 羟化酶（C4H）等表达上调，SD 诱导的上调幅度更大。MD 和 SD 处理下根中总木质素含量增加，SD 处理下 S - 木质素含量更高，一些木质素合成相关代谢物在干旱处理下更丰富。
- 内源激素分析：SD 诱导更多与植物激素（ABA、IAA、JA、GA）合成和信号转导相关的基因表达变化。MD 和 SD 处理下，根中 ABA 含量显著增加；MD 处理下 IAA 含量升高，SD 处理下降低；GA 含量在 MD 和 SD 处理下均下降，SD 处理下降更明显；SA 含量仅在 SD 处理下大幅下降；JA 及其活性形式 H₂JA 含量随干旱胁迫强度增加而逐渐降低。
- 激素对木质素形成的调控作用分析：分析木质素合成基因的顺式作用元件发现，多数基因响应 ABA、IAA 和 JA。外源施加 ABA、IAA 和 MeJA 实验表明，它们对不同木质素合成基因的表达有不同调控作用。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了玉米根系在干旱胁迫下的代谢物变化及调控机制。干旱时，玉米根系通过调整根形态、激活抗氧化系统、调节激素平衡和木质素合成来应对。其中，激素信号通路和木质素合成的协同调控在 MD 环境中对维持根系正常生长起着关键作用 。不过，木质素合成的转录调控网络十分复杂，激素相关基因与玉米根系生长和耐旱性状之间的具体相互作用还需进一步研究。这项研究为深入理解玉米根系适应干旱环境的机制提供了重要依据，也为未来提高作物抗旱性的研究指明了方向，有望助力农业生产更好地应对干旱挑战，保障粮食安全。
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