teg1和our1的组合通过优先分配碳到侧根生长增强了水稻总根长

《Frontiers in Plant Science》：Combination of teg1 and our1 enhances total root length through preferential carbon allocation to lateral root growth in rice

　　

根系发育对于水分和养分获取至关重要，但需要大量的碳投入。因此，在最小化碳成本的同时优化根构型是作物改良的一个重要目标。研究人员鉴定了一个新的水稻（*Oryza sativa* L.）突变体，截断伸长生长1（*teg1*），该突变体表现出种子根和冠根伸长减少但侧根发育增强。组织学分析表明，缩短的根表型与根尖分生组织（RAM）活性降低和细胞伸长减少相关。水稻具有不同的侧根类型，L型侧根（L-type lateral root）较粗且能够分枝形成更小的侧根，而S型侧根（S-type lateral root）比L型侧根更细更短。尽管种子根和冠根较短，*teg1*比野生型（WT）发育出更高密度的L型侧根和更长的L型侧根。为了研究根构型与碳分配之间的相互作用，将*teg1*与促进种子根、冠根和侧根伸长的优良生根1（*our1*）突变相结合。*teg1 our1*双突变体表现出L型侧根生长增加，同时种子根和冠根生长减少，但总根长保持不变。碳-14（¹⁴C）示踪分析显示，双突变体伸长中的L型侧根中新同化碳的积累增强。此外，双突变体的根冠干重比与野生型相当。这些结果表明，*teg1*促进了补偿性侧根发育并改变了根系内的碳分配，为改善水稻根构型提供了潜在的遗传资源。

**研究背景与问题**
水稻（*Oryza sativa* L.）是全球半数以上人口的主粮，尤其在亚洲，但大量水稻种植区依赖雨养，土壤水分波动频繁，导致干旱胁迫和产量不稳定。优化根构型（RSA，root system architecture）是增强作物对水分限制环境适应性的重要目标。根系在水分和养分获取中起核心作用，但根系发育需要大量碳投入。光合作用固定的碳必须在地上部和根系间分配，过多碳投入根系可能影响地上部生长和产量形成。因此，在不增加碳成本的前提下改善根构型是作物育种的关键挑战。此前研究已鉴定出多个影响水稻根角度、根伸长和侧根形成的突变体，如*our1*（outstanding rooting 1）突变体，其侧根形成增强。然而，如何通过调控碳分配来优化根构型仍不清楚。本研究鉴定了一个新的水稻突变体*teg1*（truncated elongation growth 1），其种子根和冠根伸长减少但L型侧根发育增强，并将其与*our1*结合，探讨碳分配与根构型的关系。研究得出如下结论：*teg1*促进补偿性侧根发育，与*our1*共同作用可在不增加根生物量投入的情况下增强侧根生长，从而维持总根长。该研究发表在《Frontiers in Plant Science》，为开发资源高效型水稻根系提供了遗传资源。

**主要技术方法**
研究人员利用N-甲基-N-亚硝基脲（MNU）诱变水稻品种日本晴（*Oryza sativa* cv. Nipponbare）获得*teg1*突变体，并通过与水稻品种Kasalath杂交构建F₂群体进行图位克隆。采用pTEG1:TEG1构建体进行互补实验，以pTEG1:NLS-3×Venus报告基因分析表达模式。组织学分析使用EdU标记检测根尖分生组织（RAM）活性，并测量细胞长度。通过将*teg1*与*our1*突变体杂交获得双突变体。碳分配分析采用¹⁴CO₂喂养后进行放射自显影成像。此外，对*our1*幼苗进行不同浓度葡萄糖处理，观察侧根伸长响应。所有根形态参数通过ImageJ和WinRHIZO软件分析，生物量通过干重测量，数据统计采用Student's t检验或单因素方差分析（ANOVA）结合Tukey多重比较检验。

**研究结果**
**3.1 *teg1*突变体表现出种子根和冠根伸长减少但L型侧根发育增强**
通过表型分析发现，*teg1*的种子根和最长冠根长度显著短于野生型（WT），但株高和冠根数无差异。成熟期土壤栽培下，株高和穗数与WT无显著差异，表明突变特异影响根系。EdU染色显示*teg1*根尖分生组织（RAM）区域显著缩小，RAM长度和根直径减小，成熟表皮细胞长度也显著缩短，说明细胞增殖和细胞伸长均受抑制。进一步分析种子根构型，*teg1*的总侧根密度和L型侧根密度显著高于WT，而S型侧根密度无变化；最长L型侧根长度显著增加，S型侧根长度无差异。这表明种子根和冠根缩短伴随L型侧根发育增强。

**3.2 *TEG1*编码一个含锚蛋白重复序列的蛋白，在根分生组织表达**
图位克隆将*TEG1*定位到第9号染色体上的Os09g0331600基因，该基因编码含锚蛋白重复序列和多个预测跨膜区的蛋白。*teg1*突变在第三外显子发生A到T核苷酸替换，导致一个跨膜区内的缬氨酸变为谷氨酰胺。互补实验将pTEG1:TEG1构建体转入*teg1*突变体后，种子根长度显著增加，L型侧根密度降低，证实突变导致表型。pTEG1:NLS-3×Venus报告基因显示*TEG1*在种子根根尖分生组织周围的维管组织以及发育中的侧根原基基部表达。

**3.3 *teg1*突变在*our1*背景下改变碳分配模式**
将*teg1*与*our1*结合获得双突变体*teg1 our1*。与*our1*相比，双突变体种子根和冠根更短，但L型侧根发育增强。生物量测量显示，*teg1*与WT的根干重、地上部干重和根冠比无差异；*our1*根干重和根冠比显著增加；而双突变体尽管L型侧根发达，根冠比与WT相当。¹⁴C示踪成像显示，WT、*teg1*和*our1*中放射性信号主要集中于新出现的冠根，而双突变体在伸长中的L型侧根也出现大量积累，表明新同化碳被重新分配至侧根生长。外源葡萄糖处理*our1*幼苗后，总侧根长度、L型和S型侧根长度均随浓度增加而增加，说明碳可利用性正向调节侧根伸长。三周龄植株的根构型分析表明，总根长在WT与*teg1*之间及*our1*与双突变体之间无显著差异，但双突变体种子根和冠根长度减少，L型侧根长度显著增加，S型侧根长度无变化，说明*teg1*促进根系生长从主轴转向L型侧根，维持整体根系大小。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，*teg1*的根缩短表型源于分生组织活性和细胞伸长降低，编码的锚蛋白重复蛋白可能通过蛋白互作参与生长调控。*teg1*在L型侧根发育中的增强效应可能部分源于对种子根和冠根受抑的补偿性反应，也可能直接参与侧根发育调控，因为*TEG1*在侧根原基基部表达，该区域也与L型侧根关键调控因子OsWOX10的表达区域重叠。*teg1*与*our1*组合后，¹⁴C示踪显示碳分配从冠根转向侧根，且双突变体根冠比与WT相当，表明根系构建效率提高。从农学角度，这种在不增加碳投入下增加有效根系大小的能力可能有助于资源有限环境下的水分和养分获取。未来需在干旱和养分缺乏条件下评估双突变体的田间表现。研究结论：总之，研究人员的结果表明，*teg1*促进了补偿性侧根发育并改变了根系内的碳分配。当与*our1*结合时，该突变产生了一种以增强侧根生长而不增加生物量投入为特征的根构型。这些发现为碳分配与根构型可塑性之间的关系提供了新的见解，并可能有助于开发水稻资源高效型根系。