前沿合作丨CT助力玉米抗倒伏研究發(fā)表國際知名期刊New Phytologist
發(fā)布時(shí)間:2023-05-12 閱讀次數(shù)：599次
導(dǎo)讀
玉米（Zea mays L.）作為世界第一大作物，其充足穩(wěn)定的供應(yīng)對(duì)保障全球的糧食安全至關(guān)重要。然而，目前倒伏已經(jīng)成為限制玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和機(jī)械化的主要因素，而根系構(gòu)型則是決定玉米倒伏抗性的關(guān)鍵因素。近日，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院王海洋教授課題組揭示了生長素合成基因調(diào)控氣生根生長角度的分子機(jī)理，為培育耐密抗倒玉米新品種提供了重要的基因資源。該研究進(jìn)展發(fā)表在國際知名學(xué)術(shù)期刊《New Phytologist》上，同時(shí)受到F1000的關(guān)注并被評(píng)為本領(lǐng)域必讀的研究論文。島津分析中心應(yīng)用工程師黃軍飛參與該研究中的玉米根系構(gòu)型成像，采用島津SMX-225CT FPD HR完成了玉米根系構(gòu)型的無損、原位、三維成像工作。
生長素局部生物合成調(diào)控玉米氣生根角度與倒伏抗性
? 根倒伏對(duì)玉米生產(chǎn)構(gòu)成重大威脅，導(dǎo)致糧食產(chǎn)量和品質(zhì)下降，收獲成本增加。
? 研究結(jié)果表明，ZmYUC2和ZmYUC4介導(dǎo)的局部生長素生物合成是玉米氣生根對(duì)重力響應(yīng)所必需的，本研究為培育抗根倒伏玉米品種提供了重要的基因資源。
期刊首頁截圖及摘要譯文
玉米倒伏小科普
玉米倒伏是由于外力引發(fā)的玉米根或莖稈彎倒（折斷）的現(xiàn)象，倒伏類型分為莖倒伏和根倒伏。莖稈倒伏主要發(fā)生在生長后期，表現(xiàn)為穗下部節(jié)間彎曲（折斷），而根系倒伏則可以發(fā)生在任何生長階段，表現(xiàn)為根系不能錨定地上植株。倒伏的危害主要表現(xiàn)在：光合效率銳減、光合產(chǎn)物運(yùn)輸受損、籽粒品質(zhì)下降及增大收獲成本。
摘自 王夏青, 宋偉, 張如養(yǎng), 等. 玉米莖稈抗倒伏遺傳的研究進(jìn)展[J].
中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 54(11): 2261-2272.
研究成果概覽
根系是植物吸取地下水分和養(yǎng)分的主要器官，也是固定和支撐玉米生長的的主要器官。玉米的根系主要由胚根系和胚后根系兩部分組成。胚根系由1條初生根（PR）和多條種子根（SR）組成，其生物量在V3時(shí)期（玉米有三片完全展開葉時(shí)）達(dá)到最大，是玉米幼苗期固定幼苗、獲取地下水分和營養(yǎng)的主要器官。胚后根系主要指玉米莖節(jié)上著生的節(jié)根和在上述根系上萌發(fā)的側(cè)根（LR）。節(jié)根可分為地下莖節(jié)上著生的冠根（CR）及地上莖節(jié)上著生的氣生根（BR）。節(jié)根（包括CR和BR）一般在玉米V6時(shí)期后取代胚根系成為玉米的主要根系，是玉米最主要的植株固定和養(yǎng)分獲取器官。節(jié)根中BR可以“抓地”形成錐形結(jié)構(gòu)來有效地支撐玉米植株直立；并且一般情況下，兩層“抓地”的BR（一般著生于第6-7節(jié)）可占到節(jié)根生物量總量的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.
過去植物根系研究中常用的水培、砂培或紙培等方法不能顯示出根系的三維構(gòu)型，且無法反應(yīng)出根系在土壤中的生長狀況；然而傳統(tǒng)挖掘土壤中生長的植株根系會(huì)不可避免地?fù)p傷根系完整度，在清洗過程中也會(huì)破壞根系的三維構(gòu)型。故開發(fā)新的植物根系實(shí)時(shí)活體檢測技術(shù)來滿足無損、原位、三維的根系構(gòu)型觀測尤為重要！
圖1是 通過在土壤中生長到V6期（6片完全展開葉時(shí)期）的各玉米材料的根系重建的三維（3D）顯微CT，Zmyuc4單基因突變體和Zmyuc2/4雙基因突變體的氣生根夾角明顯大于野生型（WT），而地下根系數(shù)量和根夾角與WT無顯著差異，Zmyuc2的根系角度和數(shù)目較WT均無顯著差異。這些結(jié)果表明，Micro-CT技術(shù)可以在不損壞植株根系的情況下，對(duì)玉米的根系進(jìn)行原位、三維的可視化。
圖1 CT表征玉米根系構(gòu)型
玉米根系構(gòu)型的無損、原位、三維成像
玉米根系構(gòu)型動(dòng)畫，點(diǎn)擊查看：https://mp.weixin.qq.com/s/UwGQRHGhhNwN-e_2Fx4ZCg
島津CT，科研好幫手
inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus是一款高性能微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)，是采用島津自行研制的微焦點(diǎn)X射線發(fā)生器和大型高分辨率平板檢出器制造的儀器。
圖2 SMX-225CT FPD HR Plus微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)
無論是科研院校的材料及生物研究，還是工業(yè)正在研發(fā)的復(fù)合材料（GFRP、CFRTP）和大型鋁合金壓鑄件產(chǎn)品，這款儀器能夠用于多種樣品所需要的研究、開發(fā)和檢查的實(shí)驗(yàn)。
專家心聲
王海洋教授，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)
文章通訊作者王海洋教授表示：根系構(gòu)型不僅影響作物的抗旱性和養(yǎng)分利用效率，也是作物抗倒伏的關(guān)鍵決定因素之一。但是由于根系構(gòu)型表型考察的困難，作物根系遺傳基礎(chǔ)的解析和關(guān)鍵調(diào)控基因的挖掘進(jìn)展緩慢，極大遲緩了作物的改良。在本研究中，我們利用島津公司的inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus對(duì)土壤中的玉米根系進(jìn)行了三維可視化重建。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物根系構(gòu)型的無損、原位及三維化的觀察和分析，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)根系表型觀測方法的不足，將有助于解決根系觀測的難題，從而大大加快作物根系構(gòu)型遺傳調(diào)控基礎(chǔ)的研究，為作物根系的遺傳改良提供有效的基因資源和技術(shù)支撐。
參考文獻(xiàn)
Hochholdinger F. The maize root system: morphology, anatomy, and genetics[J]. Handbook of maize: Its biology, 2009: 145-160.
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