近期，上海交通大学生命科学技术学院黄国强课题组在作物根系生长角度的调控机制方面取得了两项重要进展： 1）在Plant Physiology在线发表了题为“Ethylene regulates auxin-mediated root gravitropic machinery and controls root angle in cereal crops”的研究论文，揭示了植物激素乙烯在作物根系角度中的重要调节作用，并阐明乙烯通过促进生长素合成进而促进根系生长角度的机制；2）在Trends in Plant Science撰写了题为“Genetic regulation of the root angle in cereals”的综述文章，全面回顾了作物根系生长角度的调控机制以及最新的研究进展，并探讨了该领域目前主要的研究缺口。
图1 作物根系生长角度的调控机制
近年来，伴随着全球气温升高，干旱已经成为影响世界作物产量的重要非生物胁迫之一。而根系的生长角度对于提高作物的抗旱能力至关重要，深根系有利于作物从深层土壤中获取水分，提高作物抗旱能力。因此，研究根系生长角度的调节机制对于提高作物在干旱环境中的产量具有重要的指导意义。根系生长角度在很大程度上依赖于根的向地性，在双子叶植物拟南芥中的研究发现，乙烯在其根向地性过程中的作用微乎其微。而关于乙烯在水稻、玉米等单子叶作物中的作用仍不清楚。
该研究首先发现乙烯不敏感突变体呈现减弱向地性表型和浅根系构型，暗示了乙烯在水稻根系生长角度调控机制中的重要作用，通过测定水稻根系生长素含量，观察生长素响应元件DR5的荧光信号，发现乙烯不敏感突变体内部生长素含量显著减少。利用生长素类似物NAA处理可恢复突变体的向地性缺陷型表型，因此猜测生长素位于乙烯信号下游发挥作用。同时，生长素合成通路的关键基因MHZ10的突变体呈现根向地性缺陷型表型，利用NAA可回补其表型，验证了乙烯通过促进生长素合成来调控根的向地性机制。该研究还构建了玉米的乙烯信号缺陷型突变体Zmein2，验证了这种调控机制在单子叶作物中的保守性。
综上所述，该研究首次揭示了乙烯-生长素信号调控网络在水稻、玉米的根系生长角度的调控过程中的重要功能，发现乙烯能够促进作物的向地性过程，协助作物形成集中型根系，汲取土壤深层的水分。该研究为开发作物根系依赖的抗旱调节剂，增强作物的抗逆性，提高作物产量提供了重要理论基础。
图2 乙烯调控根生长角度的机制
上海交通大学黄国强（长聘教轨）副教授为本文的通讯作者，上海交通大学孔秀珍、宋晓云和熊雅丽为本文的共同第一作者，博士生余速航、饶津良以及诺丁汉大学的Samuel Wadey，Aneesh Lale，Marco Lombardi和Riccardo Fusi参与了本项工作。本研究得到国家自然科学基金、上海市启明星项目和高等学校学科创新引智计划的资助以及诺丁汉大学的奖学金支持。
相关论文链接：
https://doi.org/10.1093/plphys/kiae134
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1360138524000256