大麦PIN2同源基因调控根系向地性与构型的分子机制及其在作物改良中的潜力

本研究利用CRISPR/Cas9技术构建大麦PIN2（PIN-FORMED2）基因敲除突变体，首次在禾本科作物中证实该基因通过调控生长素极性运输介导根系向地性反应。突变体表现出显著增宽的浅层根系构型（RSA），但地上部生物量无显著变化，为作物根系定向改良提供了特异性靶点。

　　

大麦PIN2同源基因调控根系向地性与构型的分子机制

Abstract

根系作为植物获取水分和养分的关键界面，其构型（RSA）的遗传调控机制在作物中仍知之甚少。本研究通过CRISPR/Cas9技术敲除大麦（Hordeum vulgare）中PIN-FORMED2（PIN2）基因，发现该基因编码根部特异性生长素极性转运蛋白。与拟南芥研究一致，大麦pin2功能缺失突变体在幼苗期表现出向地性反应缺失，导致后期形成显著更浅更宽的根系系统。值得注意的是，尽管RSA发生显著改变，但地上部结构和总生物量未受影响，且对高种植密度的效应不敏感。这为通过PIN2通路优化作物RSA提供了新思路。

1 INTRODUCTION

根系构型（RSA）对土壤资源获取具有决定性作用，其中根系生长角（RGA）是最重要的决定因素之一。生长素作为关键植物激素，通过PIN-FORMED（PIN）、AUXIN1/LIKE-AUX1（AUX/LAX）和ABC转运蛋白三大类转运体建立浓度梯度，调控根系向地性。在拟南芥中，PIN2定位于表皮细胞向茎端侧，介导生长素从根尖向伸长区的流动。大麦基因组包含13个推定的PIN转运蛋白，其中Hv-PIN2与At-PIN2具有高度同源性。

2 MATERIALS AND METHODS

2.1 CRISPR/Cas9编辑大麦PIN2

使用金诺品种，通过粒子轰击法导入两个gRNA（G1:5′-GTGGCCAACAAGTTCAAGGG-3′和G2:5′-GCCGGTAGTCCATGGCGTAG-3′）靶向PIN2编码区。经测序验证获得四种转基因株系，其中pin2-1含64/627氨基酸的截短肽段，pin2-2存在749bp缺失导致的移码突变。

2.2-2.6 表型分析体系

采用透明盆法测定初生根角度；重力刺激实验通过90°旋转培养板观察根系响应；窄型（30cm×5cm×80cm）和宽型（60cm×5cm×80cm）根箱系统评估RSA；成熟期测定株高、穗长等农艺性状。数据采用线性混合模型（LMM）和限制性最大似然法（REML）分析。

3 RESULTS

3.1 基因编辑株系特征

TMHMM预测显示突变体跨膜结构域缺失，导致生长素外排功能丧失。pin2-1和pin2-2初生根角度分别从野生型（WT）的38°增至85°和72%。

3.3 PIN2调控大麦根系向地性

重力刺激实验显示，WT根系以0.83°/h速率向重力方向弯曲，而pin2-2完全丧失向地性反应。有趣的是，地上部向光性反应在突变体中保持正常。

3.4 根系构型改变

宽根箱实验表明，突变体上层（S1和S3）根系生物量显著增加（p<0.05），中层（S5）减少。RhizoVision分析显示"浅根型"（<30°）比例显著升高，形成典型的表层觅食构型。

3.5 地上部性状稳定

成熟期实验证实，突变体的分蘖数、单株穗数等农艺性状与WT无显著差异（p>0.05）。特别值得注意的是，在5cm高密度种植下，WT根冠比（RSRatio）从0.3增至0.7，而pin2突变体稳定维持在0.4左右，表现出对种植密度的不敏感性。

4 DISCUSSION

4.1 PIN2在向地性和根角调控中的核心作用

淀粉-平衡石假说认为，淀粉体沉降触发信号级联导致PIN2转运体重排。大麦pin2突变体表现出的"无方向性"根系生长，证实了该基因在重力导向中的关键作用。与ENHANCED GRAVITROPISM2（EGT2）不同，PIN2通过影响生长素运输而非细胞壁特性来调控RGA。

4.2 根系特异性改变机制

推测突变体根尖生长素积累抑制了细胞伸长，同时由于缺乏极性运输导致向地性丧失。这种改变具有器官特异性，与水稻OsPIN2过表达影响株高的现象形成鲜明对比。

4.3 种植密度响应的生物学意义

在资源充足条件下，WT通过增加根系投资应对竞争，而pin2突变体维持恒定根冠比。这种"顶层优化"策略可能有利于磷等不易移动养分的获取，为旱作农业提供了新思路。

5 CONCLUSION

本研究首次在禾本科作物中证实PIN2在根系向地性和构型塑造中的保守功能，创制的浅根型材料为作物改良提供了新种质。后续需通过田间试验验证其在水分胁迫下的表现，并探索通过基因编辑精细调控PIN2表达的可能性。