前沿合作丨CT助力玉米抗倒伏研究发表国际知名期刊New Phytologist

导读

玉米（Zea mays L.）作为世界第一大作物，其充足稳定的供应对保障全球的粮食安全至关重要。然而，目前倒伏已经成为限制玉米高产、稳产和机械化的主要因素，而根系构型则是决定玉米倒伏抗性的关键因素。近日，华南农业大学生命科学学院王海洋教授课题组揭示了生长素合成基因调控气生根生长角度的分子机理，为培育耐密抗倒玉米新品种提供了重要的基因资源。该研究进展发表在国际知名学术期刊《New Phytologist》上，同时受到F1000的关注并被评为本领域必读的研究论文。岛津分析中心应用工程师黄军飞参与该研究中的玉米根系构型成像，采用岛津SMX-225CT FPD HR完成了玉米根系构型的无损、原位、三维成像工作。

生长素局部生物合成调控玉米气生根角度与倒伏抗性

• 根倒伏对玉米生产构成重大威胁，导致粮食产量和品质下降，收获成本增加。

• 研究结果表明，ZmYUC2和ZmYUC4介导的局部生长素生物合成是玉米气生根对重力响应所必需的，本研究为培育抗根倒伏玉米品种提供了重要的基因资源。

期刊首页截图及摘要译文

玉米倒伏小科普

玉米倒伏是由于外力引发的玉米根或茎秆弯倒（折断）的现象，倒伏类型分为茎倒伏和根倒伏。茎秆倒伏主要发生在生长后期，表现为穗下部节间弯曲（折断），而根系倒伏则可以发生在任何生长阶段，表现为根系不能锚定地上植株。倒伏的危害主要表现在：光合效率锐减、光合产物运输受损、籽粒品质下降及增大收获成本。

摘自 王夏青, 宋伟, 张如养, 等. 玉米茎秆抗倒伏遗传的研究进展[J].

中国农业科学, 2021, 54(11): 2261-2272.

研究成果概览

根系是植物吸取地下水分和养分的主要器官，也是固定和支撑玉米生长的的主要器官。玉米的根系主要由胚根系和胚后根系两部分组成。胚根系由1条初生根（PR）和多条种子根（SR）组成，其生物量在V3时期（玉米有三片完全展开叶时）达到最大，是玉米幼苗期固定幼苗、获取地下水分和营养的主要器官。胚后根系主要指玉米茎节上着生的节根和在上述根系上萌发的侧根（LR）。节根可分为地下茎节上着生的冠根（CR）及地上茎节上着生的气生根（BR）。节根（包括CR和BR）一般在玉米V6时期后取代胚根系成为玉米的主要根系，是玉米最主要的植株固定和养分获取器官。节根中BR可以“抓地”形成锥形结构来有效地支撑玉米植株直立；并且一般情况下，两层“抓地”的BR（一般着生于第6-7节）可占到节根生物量总量的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.

过去植物根系研究中常用的水培、砂培或纸培等方法不能显示出根系的三维构型，且无法反应出根系在土壤中的生长状况；然而传统挖掘土壤中生长的植株根系会不可避免地损伤根系完整度，在清洗过程中也会破坏根系的三维构型。故开发新的植物根系实时活体检测技术来满足无损、原位、三维的根系构型观测尤为重要！

图1是 通过在土壤中生长到V6期（6片完全展开叶时期）的各玉米材料的根系重建的三维（3D）显微CT，Zmyuc4单基因突变体和Zmyuc2/4双基因突变体的气生根夹角明显大于野生型（WT），而地下根系数量和根夹角与WT无显著差异，Zmyuc2的根系角度和数目较WT均无显著差异。这些结果表明，Micro-CT技术可以在不损坏植株根系的情况下，对玉米的根系进行原位、三维的可视化。

图1 CT表征玉米根系构型

玉米根系构型的无损、原位、三维成像

玉米根系构型动画，点击查看：https://mp.weixin.qq.com/s/UwGQRHGhhNwN-e_2Fx4ZCg

岛津CT，科研好帮手

inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦点X射线CT系统，是采用岛津自行研制的微焦点X射线发生器和大型高分辨率平板检出器制造的仪器。

图2 SMX-225CT FPD HR Plus微焦点X射线CT系统

无论是科研院校的材料及生物研究，还是工业正在研发的复合材料（GFRP、CFRTP）和大型铝合金压铸件产品，这款仪器能够用于多种样品所需要的研究、开发和检查的实验。

专家心声

王海洋教授，华南农业大学

文章通讯作者王海洋教授表示：根系构型不仅影响作物的抗旱性和养分利用效率，也是作物抗倒伏的关键决定因素之一。但是由于根系构型表型考察的困难，作物根系遗传基础的解析和关键调控基因的挖掘进展缓慢，极大迟缓了作物的改良。在本研究中，我们利用岛津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus对土壤中的玉米根系进行了三维可视化重建。该技术实现了对植物根系构型的无损、原位及三维化的观察和分析，弥补了传统根系表型观测方法的不足，将有助于解决根系观测的难题，从而大大加快作物根系构型遗传调控基础的研究，为作物根系的遗传改良提供有效的基因资源和技术支撑。

参考文献

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

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