Nature Genetics：分析9000多个品种，发现玉米的根有很大的不同

　　

玉米可以在不同的地方条件下成功生长。由波恩大学领导的一项国际研究现在已经证明了植物根系的重要作用。研究人员在这项研究中分析了9000多个品种，并能够证明它们的根有很大的不同——这取决于每个品种种植的地方有多干燥。他们还发现了一种重要的基因，这种基因在植物的适应能力中起着重要作用。这种基因可能是培育出更好地应对气候变化的玉米品种的关键。研究结果最近发表在著名的《自然遗传学》杂志上。

这是一种枝繁叶茂的植物。手指般长的耳朵从它们细长的叶子的叶腋上长出来，每一个耳朵都由十几个岩石般坚硬的种子组成。

你必须非常仔细地观察才能发现它与世界上最重要的栽培植物之一的亲缘关系。然而，专家们一致认为，大刍草属是所有现代玉米品种的祖先。早在9000多年前，墨西哥西南部的农民就开始选择大刍草的后代，因为它们能产出最多的谷物，也能产出最美味的谷物。现代玉米作物就是用这种方式种植的，经过了许多代人的培育，现在玉米在各大洲都有种植。波恩大学作物科学与资源保护研究所(INRES)的Frank Hochholdinger教授解释说:“我们知道，在这段时间里，植物的外观发生了重大变化，例如，穗轴变得更大、更多产。”“然而，到目前为止，人们对根系在这段驯化时期及其之后的发展情况知之甚少。”

根系品种

由于这项新研究，这种情况现在已经改变了。在过去的八年里，参与的研究小组调查了世界各地大约9000种玉米和170种大刍草。研究人员收集种子并将它们放在特殊的牛皮纸上，然后将其卷成雪茄形状并直立储存在狭窄的玻璃烧杯中。“在发芽后大约14天，我们展开了这张纸，这样我们就可以在没有任何土壤附着的情况下观察到根的早期发育，”Hochholdinger说。在与Robert Koller博士领导的研究小组(Forschungszentrum j<e:1> lich)的合作下，研究人员还研究了土壤中的根生长。为了达到这个目的，他们使用了一种在医学领域更为常见的方法——磁共振成像。

结果表明，在大刍草驯化到栽培玉米的过程中，根系结构发生了根本性的变化。“在玉米品种中，我们经常在发芽后不久发现种子根-在某些品种中有多达10个或更多的种子根，”INRES埃米诺特研究小组负责人彭宇博士解释说，他最近接受了慕尼黑工业大学的教授职位。“大刍草不是这种情况。”在最佳条件下，种子根给幼苗提供了一个初始优势:它们使幼苗能够非常迅速地从土壤中吸收大量的养分。“然而，我们注意到另一种类型的根——侧根——因此受到影响，”余说。

侧根对吸收水分特别重要，因为它们大大扩大了根的表面。这可能是种子根数量因品种而异的原因:适应干燥条件的玉米品种的种子根明显较少，侧根较多。在培育这些品种时，过去的农民在不知情的情况下选择了导致这种根系结构发展的植物。

鉴定出160个候选基因

研究人员还研究了哪些遗传物质负责种子根的生长，并能够识别出160多个候选基因。“然后我们更详细地研究了其中一个名为ZmHb77的基因，”Hochholdinger说。“我们注意到，具有这种基因的植物的种子更多，同时侧根更少。”

研究人员故意关闭了一些植物的这种基因，从而改变了它们的根结构，使它们能够更好地忍受干旱。这名研究人员解释说:“因此，这种基因对于培育耐旱品种非常重要。”“鉴于气候变化，如果我们想避免未来越来越多的作物歉收，这些品种将变得越来越重要。”

成功的国际合作

这项研究也是国际合作成功的一个很好的例子:来自20个不同研究小组的研究人员参与了这项工作。“与中国农业科学院王天宇领导的研究小组的合作尤其重要，”Hochholdinger强调说。他调查了中国不同地区种植的无数种玉米。另一方面，分析哪些基因经常出现在哪些区域的工作是由我们来自宾夕法尼亚州立大学的美国合作伙伴进行的。除此之外，那里的研究人员使用了一种特殊的模拟软件来调查水的可用性所起的作用。”