气候变化导致的全球变暖和水资源短缺造成了紧迫的全球粮食安全挑战。世界上三分之一的可耕地缺水,而其他可耕地也经常受到周期性或不可预测的干旱的影响,干旱胁迫会导致作物减产甚至死亡。干旱胁迫是多维的,会导致植物形态、生理、生化和分子水平的变化。植物在自然选择过程中进化出各种胁迫适应机制,其中改变根系结构是在干旱条件下获得足够水分和养分的关键因素之一。玉米(Zea mays L.)作为世界上重要的饲料、粮食以及能源作物,已经成为了世界上最大的作物之一。干旱是玉米生产的主要制约因素之一。因此,了解玉米的耐旱机制,挖掘玉米中的耐旱基因并进一步应用它来提高耐旱性是稳定玉米生产的关键技术。本实验室前期通过转录组和蛋白组联合分析挖掘到了一个响应干旱胁迫的愈创木酚过氧化物酶1(ZmPRX1)基因,本研究通过拟南芥过表达、玉米EMS突变体以及玉米过表达材料先后验证了 ZmPRX1基因在玉米生长发育、木质素积累以及干旱耐受性中的功能,之后通过酵母单杂交和双荧光素酶报告实验筛选到转录因子ZmWRKY86,并对ZmWRKY86调控ZmPRX1靶基因的表达进行了分析。主要研究结果如下:1.ZmPRX1基因含有3个外显子和2个内含子、编码一条长为367个氨基酸的多肽,CDS长1104bp,定位于细胞壁,且在苗期根中的表达量显著高于茎和叶。ZmPRX1基因启动子上具有多个与抗逆相关的顺式作用元件,并参与苗期根系对干旱胁迫的应答,包括脱落酸响应元件(ABRE)、脱水响应元件(DRE)、干旱诱导的MYB结合位点(MBS)、MYB识别元件(MYBs)、MYC结合元件(MYCs)、TC-rich、茉莉酸反应元件(CGTCA-motif)、W box以及as-1。2.ZmPRX1基因的过表达增加了拟南芥苗期的耐旱性。干旱条件下,拟南芥野生型WT(Col-0)的存活率为4.3%,而ZmPRX1基因的过表达材料L1、L11和L12具有84.0%-92.7%的存活率;与WT(Col-0)相比,L1、L11、L12的MDA含量降低了 22.4%-25.3%,POD和SOD活性分别增加了 35.8%-41.0%和 13.0%-18.6%。3.ZmPRX1基因调控玉米根系发育和株高。正常条件下,与玉米野生型WT(B73)相比,玉米突变体zmprx1的根长(RL)、总根长(TRL)和主胚根长分别减少了 17.9%、39.3%和84.2%;总根投影面积(TRPA)、总根表面积(TRSA)和总根体积(TRV)分别降低了 32.4%、32.4%和23.4%;根鲜重(RFW)和根干重(RDW)分别减少了 40.3%和24.9%。此外,zmprx1的株高比WT(B73)降低了 25.4%。玉米过表达材料ZmPRX1-OE则表现出完全相反的表型,与玉米野生型WTViral Microbiology(B104)相比,ZmPRX1-OE的根长(RL)和主胚根长分别增加了 20.0%-35.0%和19.3%-38.3%;总根投影面积(TRPA)、总根表面积(TRSA)和总根体积(TRV)增加了 19.0%-28.7%、19.0%-28.7%和25.8%-35.9%;根鲜重(RFW)和根干重(RDW)也显著增加,分别增加了1 0.5%-27.6%和20.9%-37.4%。对地上部的观察发现,ZmPRX1-OE的株高比WT(B104)增加了 5.0%-8.1%。4.ZmPRX1基因调控玉米苗期耐旱性。干旱条件下,zmprx1的存活率为12.0%,显著低于WT(B73);与WT(B73)相比,zmprx1根系的相对电导率和MDA含量分别增加了 28.4%和 30.1%,POD、SOD 和 CAT 活性分别降更多低了 38.8%、16.5%和 46.MRTX11336%;干旱处理后,WT(B73)根系中的PRO含量快速增加,而zmprx1没有显著变化;zmprx1的叶片失水速率显著高于WT(B73),ZmPRX1-OE则表现出完全相反的表型,即干旱处理后,与WT(B104)12.0%的存活率相比,ZmPRX1-OE的存活率最高可达60.0%;与WT(B104)相比,ZmPRX1-OE根系具有更高的PRO含量和抗氧化酶活性,更低的电导率和MDA含量;此外,ZmPRX1-OE具有比WT(B104)更低的离体叶片失水速率。正常条件下,与WT(B73)相比,zmprx1苗期根系中的木质素含量降低了10.6%;相反,与WT(B104)相比,ZmPRX1-OE苗期根系中的木质素含量增加了9.8%-13.4%。5.ZmPRX1受转录因子ZmWRKY86的负调控。酵母单杂交和双荧光素酶报告实验显示,与胁迫相关的转录因子ZmWRKY86可以结合到ZmPRX1的启动子上,并负调控ZmPRX1的表达。通过共聚焦显微镜观察到ZmWRKY86定位于细胞核中,且在干旱条件下,Zm WRKY86基因在玉米根中的表达量持续下调。综上所述,ZmPRX1受转录因子ZmWRKY86的负调控;ZmPRX1参与了玉米的根系发育和根系中木质素的积累,并影响了玉米的耐旱性。这一研究为理解玉米根系的生长发育和木质素的积累以及干旱胁迫响应机制提供了新视角。