Cell | 加州大学戴维斯分校研究揭示通过根部在干旱情况下增加粮食种植成为可能!

在过去的十年中，科研人员试图创建一个作物根部的分子图谱，植物在这里首先检测到干旱和其他环境威胁的影响（PNAS | 隐藏的“根之舞“！杜克大学研究揭示植物根部回旋生长的机制和功能！Science | 诺丁汉大学和张大兵团队揭示植物根部通过限制乙烯扩散来感知土壤压实度！Nature | 重磅！福建农林大学研究揭示植物激素介导核信号通路调控植物生长的机制！）。在此过程中，他们发现了可以用来保护植物免受这些胁迫的基因。

近日，国际顶级学术期刊Cell发表了美国加州大学戴维斯分校Siobhan M. Brady教授团队的最新相关研究成果，题为Innovation, conservation, and repurposing of gene function in root cell type development的研究论文，本研究实现了对植物根部功能的高度理解，因为它结合了来自室内和室外生长的番茄根部不同细胞的基因数据，这将有助于像番茄和水稻这样的粮食作物在我们这个变暖的星球上度过更长、更激烈的干旱期。

研究人员在实验室和温室里做实验，而农民在田地里种植作物，这个数据也是用于田间采样。这些数据揭示了植物执行三个关键事件的基因信息。木质部是中空的管道状通道，将水和养分从根部一直输送到茎。没有木质部的运输，植物就不能通过光合作用制造自己的食物。木质部对于支撑植物抵抗干旱以及盐和其他胁迫非常重要。反过来，如果没有木质部的植物矿物质运输，人类和其他动物就会减少生存所需的维生素和营养物质。除了形成木质部所需的一些典型分子外，还发现了新的基因。

第二组关键基因是那些指导根的外层产生木质素和木栓质的基因。木栓质是木栓层的关键物质，它将植物细胞包围在一个厚厚的层中，在干旱期间保持水分（Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！）。番茄和水稻等作物的根部有木栓质。苹果果实的外层细胞周围有木栓质。无论发生什么，它都能防止植物失去水分。木质素还能使细胞防水并为其提供机械支持。木栓质和木质素是天然的抗旱保护形式，现在已经确定了在非常特定的细胞层中编码它们的基因，这些化合物可以得到增强。

编码植物根部分生组织的基因也被证明在番茄、水稻和拟南芥之间非常相似。分生组织是每个根的生长顶端，它是构成根的所有细胞的来源。该区域将成为根的其余部分，并作为其干细胞龛。它决定了根部本身的属性，例如它们有多大。拥有这方面的知识可以帮助我们开发更好的根系。

当农民对某种特定的作物感兴趣时，他们会选择那些具有他们可以看到的特征的植物，例如更大、更有吸引力的水果。对育种者来说，更难的是选择具有他们看不到的地下特性的植物。如果育种者想成功地种植植物，那么植物的'隐藏的一半'，即地面以下，是育种者要考虑的关键。能够修改植物根部的分生组织将帮助我们设计出具有更多理想特性的作物。虽然这项研究只分析了三种植物，但研究小组认为这些发现可以更广泛地应用。番茄和水稻相隔超过1.25亿年的进化，但我们仍然看到控制关键特性的基因之间有相似之处。这些相似性很可能也适用于其他作物。

图1. 细胞类型分辨率下的番茄根部翻译组图谱

图2. 跨多个发育区、条件和根系类型的细胞类型富集基因（CTEG）

图3. 番茄木质部维管转录调节子的鉴定

图4. 假定的外皮层和内部皮层调节网络及功能

图5. 同源细胞群体显示出有限的基因表达保守性

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