干旱及复水后植物根系吸水的调控机制

水分不足是半干旱地区农业生产的主要限制因子，其典型环境特征是短期降雨与阶段干旱并存即多变低水，因此该区域的植物生产力不仅取决于植物对无雨期干旱环境的适应能力，也取决于干旱后复水植物的反应和对有限水分的利用能力。植物水分平衡的丧失是干旱下植物生产力降低的首要原因，调控植物的水分平衡是提高多变低水环境下植物生产力的重要途径，但以前关于植物水分平衡的研究多集中于植物的地上部气孔调控方面，而根系如何从干旱及复水后的土壤中获得水分则由于其所处土壤环境的复杂性和根系吸水测定技术的限制而缺乏深入研究。本研究拟以玉米、高粱等为材料，从细胞、单根和整株根系水平就干旱及旱后复水条件下植物根系吸水能力的变化进行研究，并企图从水通道蛋白表达和活性、根系解剖结构、根系形态特征等方面阐明其调控机制，明确根系吸水能力恢复的水分胁迫阈值，以为植物根系吸水机理的阐明和半干旱地区作物合理用水以提高生产力提供理论依据和指导。

调控干旱及复水下植物根系水分吸收是提高多变低水环境下植物生产力的重要途径。本项目研究的要点是利用压力探针、压力室和高压流量计技术结合根系解剖结构、剖面分布特征变化研究干旱及复水条件下植物根系吸水能力在细胞、单根和整株根系水平的变化特征及规律，并从水通道蛋白表达及活性、根系解剖结构、根系形态特征等方面阐明其调控机制。研究过程中，我们采用室内水培实验、盆栽试验和大田试验相结合的方法完成了项目预定目标；由于不同植物根系吸水能力差异较大，增加了苜蓿、小麦、拟南芥等材料研究。鉴于本课题组以前在小麦进化材料上的研究，增加了干旱条件下不同倍性小麦进化材料细胞水平吸水及与水通道蛋白表达关系的研究内容；同时考虑到钙在植物信号转导中的作用，增加了钙对干旱及复水条件下玉米根系吸水调控的影响研究；考虑到ABA在根系吸水调控方面的重要作用，增加了拟南芥突变体细胞水导对ABA浓度变化的响应研究；另外考虑的机理研究与生产实践结合的需要，增加了大田水分变动条件下密度和有机肥对玉米吸水的影响研究，现上述研究内容均已按计划完成。.研究发现：干旱下植物根系吸水能力降低，这种降低与根系皮层细胞的加厚、细胞体积的减小、根系生长的降低、水通道蛋白表达的下调有关；复水后根系吸水能力的恢复取决于干旱程度、干旱持续时间和干旱时期，严重胁迫和长期干旱不利于根系吸水能力的恢复，不同时期复水，根系吸水能力恢复程度不同，新根的生长、根系水通道蛋白表达的上调调控了根系吸水能力的恢复，优化了植株的整体水分平衡；小麦进化中根系吸水能力的增加与水通道蛋白表达的上调和细胞体积的减小有关，剪根短期内增加了小麦幼苗的水分敏感性；钙减缓了干旱对植物根系生长的抑制作用，促进了复水后的根系生长，增大了细胞-细胞途径的水流贡献，并因此而增加了植物根系吸水能力，改善了抗旱性；ABA提高了拟南芥根系皮层细胞的透水性，而且ABA受体PYR/PYL/RCAR介导的信号转导参与了ABA的这种水分调节效应。