温度与水分协同调控植物根系生长的分子机制研究

本研究揭示了温暖温度与轻度水分胁迫协同促进拟南芥根系伸长的分子机制。研究人员发现SnRK2.2/2.3激酶与E3泛素连接酶COP1通过调控转录因子HY5在毛状根细胞中的稳定性，整合环境信号调控根系热形态建成。该发现为全球气候变化背景下作物适应性培育提供了新思路。

　　

随着全球气候变化加剧，温度升高与水分胁迫已成为影响作物生长的关键环境因子。植物地上部分通过茎秆伸长（thermomorphogenesis）增强散热能力已被广泛研究，但根系如何协同响应温度与水分变化的分子机制尚不明确。这一科学问题的解答对培育抗旱耐热作物具有重要意义。

荷兰瓦赫宁根大学与研究中心（Wageningen University & Research）的Scott Hayes和Christa Testerink团队在《Current Biology》发表研究，通过遗传学、细胞生物学和转录组学等多学科方法，揭示了温暖温度（28°C）与轻度水分胁迫（17%土壤含水量或25 mM山梨醇）协同促进拟南芥主根伸长的分子通路。研究发现该过程依赖于蔗糖非发酵相关激酶SnRK2.2/2.3和E3泛素连接酶COP1对转录因子HY5稳定性的拮抗调控，为环境信号整合提供了新范式。

研究主要采用以下关键技术：1）土壤含水量梯度实验建立表型模型；2）离体根培养系统结合渗透胁迫处理；3）激光共聚焦显微技术追踪COP1-mCherry和GFP-HY5的亚细胞定位；4）LC-MS检测脱落酸（ABA）含量；5）RNA-seq分析转录组变化；6）细胞形态计量学分析伸长区特征。

温暖温度与轻度水分胁迫协同促进根伸长
通过土壤含水量梯度实验发现，野生型拟南芥在17%含水量和28°C条件下主根长度比单因素处理增加40%，而snrk2.2/snrk2.3双突变体丧失这种协同效应。离体根实验证实该响应是根自主性的，且可被25 mM山梨醇或30 nM ABA模拟。

COP1抑制无水分胁迫时的根热形态建成
与地上部相反，cop1-4突变体在无渗透胁迫时即表现出根伸长增强。pCOP1:mCherry-COP1荧光显示COP1在伸长区毛状根细胞中富集，其蛋白水平在双重胁迫下最低。光照处理能模拟cop1突变体表型，说明COP1在黑暗中抑制根热响应。

HY5稳定性与根伸长程度相关
p35S:GFP-HY5成像显示，野生型中HY5在毛状根细胞的稳定性仅于28°C+山梨醇时增强，而cop1-4背景中HY5在单温度刺激下即稳定。snrk2.2/snrk2.3突变体则表现为HY5基础水平降低，但过表达HY5可恢复其表型缺陷。

该研究首次阐明温度与水分信号通过SnRK2-COP1-HY5模块协同调控根系发育的分子机制。COP1在根中发挥与地上部相反的功能，揭示器官特异性环境响应策略。研究还拓展到生菜、韭菜和萝卜等作物，为应对气候变化下的农业管理提供理论依据。通过解析HY5在毛状根与非毛状根细胞的差异稳定性，为细胞类型特异性环境感知研究开辟了新方向。