導讀

玉米（Zea mays L.）作為第一大作物，其充足穩定的供應對保障全球的糧食安全至關重要。然而，目前倒伏已經成為限制玉米高產、穩產和機械化的主要因素，而根系構型則是決定玉米倒伏抗性的關鍵因素。近日，華南農業大學生命科學學院王海洋教授課題組揭示了生長素合成基因調控氣生根生長角度的分子機理，為培育耐密抗倒玉米新品種提供了重要的基因資源。該研究進展發表在國際學術期刊《New Phytologist》上，同時受到F1000的關注并被評為本領域必讀的研究論文。島津分析中心應用工程師黃軍飛參與該研究中的玉米根系構型成像，采用島津SMX-225CT FPD HR完成了玉米根系構型的無損、原位、三維成像工作。

生長素局部生物合成調控玉米氣生根角度與倒伏抗性

l                      根倒伏對玉米生產構成重大威脅，導致糧食產量和品質下降，收獲成本增加。

l                      研究結果表明，ZmYUC2和ZmYUC4介導的局部生長素生物合成是玉米氣生根對重力響應所必需的，本研究為培育抗根倒伏玉米品種提供了重要的基因資源。

期刊首頁截圖及摘要譯文

玉米倒伏小科普

玉米倒伏是由于外力引發的玉米根或莖稈彎倒（折斷）的現象，倒伏類型分為莖倒伏和根倒伏。莖稈倒伏主要發生在生長后期，表現為穗下部節間彎曲（折斷），而根系倒伏則可以發生在任何生長階段，表現為根系不能錨定地上植株。倒伏的危害主要表現在：光合效率銳減、光合產物運輸受損、籽粒品質下降及增大收獲成本。

摘自 王夏青, 宋偉, 張如養, 等. 玉米莖稈抗倒伏遺傳的研究進展[J].

中國農業科學, 2021, 54(11): 2261-2272.

研究成果概覽

根系是植物吸取地下水分和養分的主要器官，也是固定和支撐玉米生長的的主要器官。玉米的根系主要由胚根系和胚后根系兩部分組成。胚根系由1條初生根（PR）和多條種子根（SR）組成，其生物量在V3時期（玉米有三片全部展開葉時）達到最大，是玉米幼苗期固定幼苗、獲取地下水分和營養的主要器官。胚后根系主要指玉米莖節上著生的節根和在上述根系上萌發的側根（LR）。節根可分為地下莖節上著生的冠根（CR）及地上莖節上著生的氣生根（BR）。節根（包括CR和BR）一般在玉米V6時期后取代胚根系成為玉米的主要根系，是玉米最主要的植株固定和養分獲取器官。節根中BR可以“抓地”形成錐形結構來有效地支撐玉米植株直立；并且一般情況下，兩層“抓地”的BR（一般著生于第6-7節）可占到節根生物量總量的50%，是玉米最主要的功能根系。

摘自 Hochholdinger F. The maize root system: morphology, anatomy, and genetics[J].

Handbook of maize: Its biology, 2009: 145-160.

過去植物根系研究中常用的水培、砂培或紙培等方法不能顯示出根系的三維構型，且無法反應出根系在土壤中的生長狀況；然而傳統挖掘土壤中生長的植株根系會不可避免地損傷根系完整度，在清洗過程中也會破壞根系的三維構型。故開發新的植物根系實時活體檢測技術來滿足無損、原位、三維的根系構型觀測尤為重要！

圖1是 通過在土壤中生長到V6期（6片全部展開葉時期）的各玉米材料的根系重建的三維（3D）顯微CT，Zmyuc4單基因突變體和Zmyuc2/4雙基因突變體的氣生根夾角明顯大于野生型（WT），而地下根系數量和根夾角與WT無顯著差異，Zmyuc2的根系角度和數目較WT均無顯著差異。這些結果表明，Micro-CT技術可以在不損壞植株根系的情況下，對玉米的根系進行原位、三維的可視化。

圖1 CT表征玉米根系構型

玉米根系構型的無損、原位、三維成像

島津CT，科研好幫手

inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦點X射線CT系統，是采用島津自行研制的微焦點X射線發生器和大型高分辨率平板檢出器制造的儀器。

圖2 SMX-225CT FPD HR Plus微焦點X射線CT系統

無論是科研院校的材料及生物研究，還是工業正在研發的復合材料（GFRP、CFRTP）和大型鋁合金壓鑄件產品，這款儀器能夠用于多種樣品所需要的研究、開發和檢查的實驗。

專家心聲

王海洋教授，華南農業大學

文章通訊作者王海洋教授表示：根系構型不僅影響作物的抗旱性和養分利用效率，也是作物抗倒伏的關鍵決定因素之一。但是由于根系構型表型考察的困難，作物根系遺傳基礎的解析和關鍵調控基因的挖掘進展緩慢，極大遲緩了作物的改良。在本研究中，我們利用島津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus對土壤中的玉米根系進行了三維可視化重建。該技術實現了對植物根系構型的無損、原位及三維化的觀察和分析，彌補了傳統根系表型觀測方法的不足，將有助于解決根系觀測的難題，從而大大加快作物根系構型遺傳調控基礎的研究，為作物根系的遺傳改良提供有效的基因資源和技術支撐。

參考文獻

Hochholdinger F. The maize root system: morphology, anatomy, and genetics[J]. Handbook of maize: Its biology, 2009: 145-160.

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