玉米植株能够通过根尖在土壤中寻找水分，但包括许多用于美国高产玉米育种的品种在内，似乎失去了部分这种能力。根据斯坦福大学主导的一项研究，随着气候变化加剧干旱，这一发现为开发更具抗旱能力的玉米品种提供了潜力。

这项研究发表在 《科学》 杂志上，揭示了根部“水分模式化”背后的遗传机制，即植物根部如何朝向水分分支并避开土壤中干燥区域。研究人员特别发现，已知帮助香蕉成熟的植物激素乙烯也影响根部如何生长以寻找水分。

“植物在‘看到’土壤中水分的位置方面非常复杂，负责这一过程的基因在帮助植物创建优化的根系以高效吸收水分方面起着重要作用，”该研究的资深作者、斯坦福大学 José Dinneny 教授说，他是斯坦福大学 人文与科学学院 的生物学教授。

Dinneny 说，植物本质上是利用根部产生的气态乙烯来感知土壤中的空气空间，然后调节下游激素的根分支。

寻水的根系

虽然 Dinneny 实验室 之前揭示了 玉米根部对水分检测的敏感性，但研究发现植物的这种能力在很大程度上取决于玉米的具体品种。

玉米根在一个定制设计的测定中生长，以测量根分支对水分的反应，这种现象被称为水分模式化。| LiPo Ching, Stanford University

在这项研究中，研究人员开发了一种新的简化方法来研究根部对水分的敏感性，使得分析反映现代玉米育种基因库的250个玉米品种的反应成为可能。他们发现，适应在墨西哥等热带或亚热带地区生长的玉米品种非常擅长向水分方向生长新的根分支并避开干燥区域。相比之下，适应北美温带地区的品种往往在许多方向上生长根部，而不区分土壤中的干湿区域。这项工作得益于多个研究小组在定量遗传学、进化和根系发育方面的国际合作。

研究人员表示，美国种植的现代玉米的开发，作为一种主要作物，通常种植在高度肥沃的农业用地上，可能削弱了植物的寻水根反应。他们还指出，与田间研究的比较表明，较强的水分模式化与更大的根深度有关。

“有趣的是，那些更擅长感知水分位置的植物也在形成更深的根系，”该研究的第一作者、Dinneny 实验室的博士后学者 Johannes Scharwies 说。“一个假设是，如果植物不浪费时间将根分支生长到没有水和养分的地方，那么它就有更多的能量向下生长到更可能有水的地方。”

针对抗旱能力

研究人员通过遗传分析发现，两种植物激素，生长素和乙烯，在玉米根对水分的反应中起作用。虽然生长素已知有助于控制这一过程，但乙烯的参与是一个新发现。在对拟南芥（ Arabidopsis thaliana ）——一种常用于研究的模式植物——的实验中，研究人员发现这两种激素的遗传信号通路相互补充：生长素信号促进根分支向水分方向发展，而乙烯在根暴露于空气时抑制分支。

拟南芥幼苗在凝胶介质上生长，以研究根对水分的反应。| LiPo Ching, Stanford University

需要进一步研究以更好地理解这些遗传通路的相互作用，然后才能开发出具有更抗旱根系的玉米品种，但这些发现强调了研究根尖局部反应的重要性，Scharwies 说。

“每个根尖就像土壤中的传感器。它们寻找水分和养分，并控制新的根分支应该生长的方向，”他说。“我们需要花更多时间研究这些非常局部的根反应，以了解整个植物的行为，然后我们可以利用这些信息开发出更具抗旱能力的植物。”