葛根素调控根系可塑性与细胞增殖的分子机制及其在作物改良中的应用

本研究针对植物根系可塑性调控机制不明的科学问题，通过整合化学分析与发育生物学方法，揭示了豆科植物Pueraria thomsonii中异黄酮苷daidzin通过调控生长素（auxin）极性运输（PINs）、干细胞稳态（WOX5/CYCD6;1）等通路，协调根系构型可塑性的分子机制。该研究为作物根系改良提供了新型生物调控工具，论文发表于《Industrial Crops and Products》。

　　

植物根系如何适应环境变化？ 这个看似简单的问题背后，隐藏着作物产量提升的关键密码。在气候变化和耕地资源紧张的背景下，理解根系可塑性调控机制成为农业科学的前沿课题。传统研究多聚焦于激素调控，而植物次生代谢物在根系发育中的主动调控作用长期被忽视。豆科植物Pueraria thomsonii因其独特的块根膨大现象和丰富的异黄酮积累，为破解这一谜题提供了理想模型。

中国中医科学院的研究团队通过跨学科研究，首次揭示异黄酮苷daidzin作为根系构型可塑性的核心调控分子。研究结合UPLC-QQQ-MS（超高效液相色谱-三重四极杆质谱）和DESI-MSI（解吸电喷雾电离质谱成像）技术，锁定daidzin在膨大根部的特异性分布；利用拟南芥根系表型系统，发现daidzin通过双重机制调控根系发育：一方面抑制PIN1/2/4/7等生长素外排蛋白的表达和极性定位，改变生长素梯度；另一方面激活干细胞关键转录因子WOX5并特异性上调细胞周期蛋白CYCD6;1，促进内皮细胞不对称分裂。

3.1 活性异黄酮筛选
通过化学计量学分析发现，daidzin在膨大根中含量显著高于普通根，且主要富集于韧皮部和形成层区域，与根构型重塑的时空特征高度吻合。

3.2 根系表型调控验证
daidzin处理导致拟南芥根尖膨大、主根缩短等典型表型，且呈现浓度依赖性。热稳定性分析（CETSA）鉴定出198个潜在靶标蛋白，其中16个与干细胞调控通路相关。

3.3 生长素通路干预
daidzin使根中生长素含量降低40%，DR5::GFP报告基因显示生长素响应在根尖中柱区域显著减弱。外源施加IAA可部分逆转daidzin的表型效应。

3.4 极性运输重编程
PIN2蛋白在表皮细胞中的极性分布发生侧向偏移，AUX1突变体对daidzin敏感性降低，证实生长素运输调控是表型形成的关键环节。

3.6 WOX5-CYCD6;1轴激活
daidzin诱导WOX5表达域从静止中心向基本组织扩展，同时特异性上调CYCD6;1，促进内皮细胞不对称分裂。在wox5突变体中，daidzin对主根的抑制效应加剧，而在WOX5过表达株系中则显著缓解。

这项研究不仅阐明了daidzin通过"生长素运输-干细胞稳态"双模块调控根系可塑性的分子框架，更开创性地将植物次生代谢物从传统"防御分子"角色拓展为发育调控信号。在应用层面，daidzin处理能显著促进西洋参不定根膨大和葛根细胞增殖，为根茎类药用植物栽培和主粮作物根系改良提供了新型生物刺激剂候选。该成果发表于《Industrial Crops and Products》2025年第1期，为作物抗逆增产和药用植物品质提升提供了原创性解决方案。