栎树根系类型对干旱诱导响应的分子调控机制：基因与microRNA的协同作用

本研究针对干旱胁迫下栎树幼苗根系类型特异性响应机制不明确的问题，通过比较容器育苗与橡实直播两种栽培方式下栎树幼苗的转录组、miRNA组和降解组特征，结合植物激素分析，揭示了主根和侧根在干旱胁迫下采用不同的分子策略：主根优先代谢适应和维持生长，侧根侧重生长抑制和结构调控。研究发现早期容器栽培会通过miRNA介导的激素调控网络（涉及ABA、JA、SA及降低的auxins和cytokinins）产生遗留效应，这些发现为优化苗木培育技术、提高栎树抗旱性提供了重要分子依据。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为限制林木生长和生存的主要环境胁迫因子。特别是对于具有重要生态和经济价值的栎树来说，理解其抗旱机制显得尤为迫切。以往研究多关注地上部分的响应，而对地下根系——这个与水分吸收直接相关的器官却了解甚少。更值得注意的是，栎树根系包括主根(taproot)和侧根(lateral roots)两种类型，它们在解剖结构、发育模式和功能上存在明显差异。那么，在面对干旱胁迫时，这两种根系类型是否会采取不同的应对策略？此外，现代林业生产中广泛采用容器育苗技术，这种栽培方式是否会通过改变根系发育而影响苗木后期的抗旱性能？这些问题目前都没有明确的答案。

为了回答这些科学问题，来自波兰亚当·密茨凯维奇大学、波兰科学院树木学研究所、尼古拉·哥白尼大学和波兹南生命科学大学的研究团队在《BMC Plant Biology》上发表了他们的最新研究成果。研究人员以欧洲栎(Quercus robur L.)为材料，创新性地采用了根窗(rhizotron)栽培系统，能够非侵入性地观察根系生长动态。他们比较了两种栽培方式——传统的橡实直接播种和现代容器育苗——对栎树幼苗抗旱性的影响，并从转录组、miRNA组、降解组和植物激素多个层面揭示了主根和侧根在干旱胁迫下的差异化响应机制。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：利用根窗系统进行幼苗培育和干旱处理；通过RNA-seq、miRNA-seq和降解组测序技术全面解析分子响应网络；使用UHPLC-MS/MS技术定量分析8种植物激素水平；结合生物信息学方法进行差异基因表达、miRNA-靶基因互作、GO和KEGG通路富集分析。

Drought stress severely impairs photosystem II efficiency and photosynthetic performance

通过叶绿素荧光参数测定，研究人员发现干旱胁迫严重破坏了光合系统II(PSII)的功能。Fo/Fm、Fv/Fm和Fv/Fo值的降低表明PSII受到了损伤并发生了光抑制现象；Performance Index(PI)的下降反映了植物将光能转化为化学能的能力严重受损；TRo/RC和ETo/RC的减少表明能量捕获和电子传递过程受阻；而ABS/RC和DIo/RC的增加则说明吸收能量的利用效率降低且能量耗散增加。这些生理参数为后续分子分析提供了坚实的表型基础。

Drought stress induces distinct and overlapping transcriptomic responses in taproots and lateral roots, highlighting metabolic and hormonal adaptations

转录组分析显示，在干旱胁迫下，主根中有3,262个基因上调表达，3,630个基因下调表达；侧根中则有2,934个基因上调和3,244个基因下调。其中1,902个基因在两种根系中共同上调，2,217个基因共同下调，表明两种根系类型既共享一部分干旱响应通路，又存在特异性响应机制。

GO分析表明，主根在干旱胁迫下优先激活与碳水化合物代谢过程、谷胱甘肽代谢过程、细胞壁修饰和缺水响应相关的基因，而侧根则主要富集与微管过程、过氧化氢分解代谢和细胞壁生物发生相关的基因。

KEGG通路分析进一步揭示，主根中淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生、谷胱甘肽代谢等通路显著富集，表明主根倾向于维持代谢活性和抗氧化防御；而侧根中则主要富集与微管蛋白、丙酮酸代谢和TCA循环相关的通路，反映其更注重结构重组和能量代谢调整。

Distinct miRNA expression patterns in taproots and lateral roots indicate tissue-specific regulatory strategies for drought adaptation

miRNA测序发现主根中鉴定到58个成熟miRNA（35个已知，23个新发现），侧根中鉴定到61个成熟miRNA（37个已知，24个新发现）。主根中29个miRNA上调和29个下调，侧根中24个上调和37个下调。

有19个miRNA在两种根系中共同上调，包括与根系发育和架构相关的miR166a、miR166c、miR166d、miR171b、miR171d、miR160b、miR167b和miR396a，与胁迫响应相关的miR393a、miR398a、miR162a、miR403a，以及与激素调控相关的miR160b、miR167b和miR393a。

特别值得注意的是，有9个miRNA（包括miR172a、miR164d、miR396a、miR167a、miR398b、miR408a和miR390a）在主根中上调而在侧根中下调，这种相反的表达模式凸显了两种根系类型在miRNA调控层面的显著差异。

Distinct miRNA-target correlation patterns highlight complex post-transcriptional regulation in drought-stressed roots

降解组分析鉴定出了33-45个高质量的miRNA-靶基因对。研究发现qrb-miR166a和qrb-miR166d与其靶基因Qrob_T0357230.2(ATHB-15)和Qrob_T0602040.2(REVOLUTA)呈现典型的负相关关系；qrb-miR396a与其靶基因Qrob_T0026800.2(GRF4)和Qrob_T0769850.2(GRF10)在主根中也呈现负相关，但在侧根中两者均下调；而qrb-miR167b与其靶基因Qrob_T0190770.2(ARF6)则呈现正相关关系，这种复杂的调控模式表明miRNA可能通过多种机制参与干旱应激响应。

RT-qPCR validation confirms reliability of RNA-seq data in oak roots

研究人员随机选择8个基因（NCER1、WRKY、GST、PIN2、GERL1、ACO5、AIR1和HK1）进行RT-qPCR验证，结果显示RNA-seq和RT-qPCR数据的表达比率高度相关（R=0.84, p<0.001），证实了转录组数据的可靠性。

Distinct hormonal adjustments in taproots and lateral roots under drought stress

植物激素分析发现，在干旱胁迫下，两种根系中的ABA（主根增加35%，侧根增加37%）、JA（主根增加239%，侧根增加120%）和SA（主根增加1072%，侧根增加522%）水平均显著上升，而生长促进型激素IAA、IBA、2iP、tZ和GA3水平则下降。值得注意的是，IBA和2iP的下降幅度在主根中小于侧根，而IAA、tZ和GA3的下降幅度在侧根中小于主根，这种差异化的激素调整模式与两种根系的不同抗旱策略相一致。

研究结论和讨论部分强调，这项研究首次系统地揭示了栎树幼苗主根和侧根在干旱胁迫下采取的不同分子策略：主根作为代谢支柱，通过维持代谢活性和生长潜力来支持水分吸收；而侧根则通过结构改变和胁迫信号传递提供适应性可塑性。早期容器栽培会通过miRNA介导的激素调控网络产生遗留效应，影响苗木后期的抗旱性能。这些发现不仅深化了我们对林木抗旱机制的理解，而且为优化苗木培育技术提供了科学依据——在容器育苗中应注重主根的发育和移植后的再生能力，而不仅仅是促进侧根增殖。这项研究为制定基于科学证据的重新造林和 afforestation 计划指南提供了重要理论基础，有助于提高森林生态系统在气候变化背景下的长期可持续性和恢复力。