禾本科作物CEPR1功能解析：肽激素识别机制与大麦生长发育调控

本研究针对CEPR1受体在单子叶与双子叶植物中的功能保守性问题，通过拟南芥互补实验和CRISPR-Cas9基因编辑技术，首次证实大麦、水稻和玉米CEPR1同源基因能恢复拟南芥cepr1突变体的根构型、营养发育和繁殖缺陷，并揭示大麦cepr1突变体呈现更陡峭的初生根角度和40%的产量损失。该发现为通过CEPR1调控谷物根系构型以提高养分利用效率提供了新靶点。

　　

在植物应对环境挑战的复杂调控网络中，C-末端编码肽（CEP）家族及其受体CEPR1（CEP RECEPTOR 1）扮演着关键角色。虽然拟南芥和蒺藜苜蓿中CEP-CEPR1通路已被证实能整合氮素信号与根系发育，但在解剖结构迥异的禾本科作物中，该通路是否具有相似功能仍是未解之谜。这一科学问题的解答对设计养分高效作物品种至关重要——随着全球人口增长和化肥过度使用导致的生态问题加剧，通过优化根系构型（RSA）提升作物资源捕获效率已成为农业研究的焦点。

澳大利亚国立大学生物研究院与苏黎世大学的研究团队通过跨物种功能互补实验取得突破性发现。将大麦（Hordeum vulgare）、水稻（Oryza sativa）和玉米（Zea mays）的CEPR1同源基因导入拟南芥cepr1突变体后，不仅恢复了其对AtCEP3肽的敏感性，更完全挽回了包括根系构型、营养生长和繁殖力在内的多重表型缺陷。尤为关键的是，通过CRISPR-Cas9技术构建的大麦cepr1突变体表现出与拟南芥突变体相似的表型：初生根角度增加15°，成熟根系分布范围缩小23%，且单株产量骤降40%。这些结果发表在《Journal of Experimental Botany》，首次证实CEPR1在禾本科作物中具有保守的发育调控功能。

研究采用四项关键技术：1）基于PANTHER数据库的进化树分析鉴定单子叶植物CEPR1同源基因；2）Gateway克隆构建拟南芥CEPR1启动子驱动的单子叶CEPR1互补载体；3）数字微滴PCR（ddPCR）验证转基因拷贝数；4）透明盆与根箱系统量化三维根系构型参数。

【CEP受体功能在禾本科作物中的保守性】

通过系统发育分析发现，大麦HvCEPR1、水稻OsCEPR1和玉米ZmCEPR1与拟南芥AtCEPR1聚为独立分支。当这些基因在拟南芥cepr1突变体中表达时，不仅能恢复AtCEP3诱导的初生根生长抑制（p<0.01），还使根系宽度增加2.1-2.8倍（p<0.001），达到野生型水平。

【大麦cepr1突变体的表型特征】

CRISPR编辑产生的大麦双等位基因突变体（蛋白截短至67/68个氨基酸）表现出显著发育缺陷：幼苗期初生根夹角较野生型减小8.5°（p<0.001），成熟期73%根系生物量集中在中线区域，而野生型仅占54%（p<0.05）。

【CEPR1的配体识别特异性】

序列比对揭示单双子叶植物CEP肽N端（1-6位）变异度较高。实验证实AtCEPR1严格偏好AtCEP3，而HvCEPR1能响应所有测试CEP（包括AtCEP3和OsCEP6.1）。关键位点置换实验显示，第2位苯丙氨酸（F）和第4位羟脯氨酸（HyP）是AtCEPR1特异性识别的决定因素。

这项研究不仅证实CEPR1通路在单双子叶植物间的深层保守性，更揭示大麦CEPR1具有更广泛的配体识别谱。该发现为设计"陡直根系"作物品种提供了分子靶点——通过精准编辑CEPR1或其下游组分，有望在维持产量的前提下优化根系构型以适应不同土壤环境。研究还提出重要警示：完全敲除CEPR1可能导致严重产量损失，未来需探索组织特异性调控策略以平衡根系构型改良与生殖发育的关系。