根系作為植物吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，可以感知土壤中水分的變化，并通過(guò)向水分充足的地方生長(zhǎng)，來(lái)提高植物對(duì)土壤水分的利用效率，這種現(xiàn)象稱為向水性生長(zhǎng)。MIZ1是調(diào)控植物根系向水性生長(zhǎng)的關(guān)鍵基因，但是其調(diào)控機(jī)理并不是非常清楚。植物根系向重力性生長(zhǎng)和向水性生長(zhǎng)與植物對(duì)逆境的適應(yīng)密切相關(guān)，已有研究表明根向重力性和向水性生長(zhǎng)存在拮抗關(guān)系，但是MIZ1是否能夠權(quán)衡這兩種向性生長(zhǎng)來(lái)幫植物適應(yīng)干旱環(huán)境并不清楚。

近日，西北農(nóng)林科技大學(xué)張余周教授團(tuán)隊(duì)在PNAS上發(fā)表了題為Foraging for water by MIZ1-mediated antagonism between root gravitropism and hydrotropism的研究論文，解析了植物MIZ1-PIN調(diào)控模塊可通過(guò)權(quán)衡根系向水性和向重力性生長(zhǎng)來(lái)提高植物在干旱條件下對(duì)土壤水分的利用效率，為作物抗逆策略的定制提供了理論基礎(chǔ)。

該研究首先通過(guò)回轉(zhuǎn)儀模擬植物失重或微重力條件下野生型和miz1突變體根系的向水性生長(zhǎng)表型。研究發(fā)現(xiàn)，在模擬的微重力環(huán)境下，miz1突變體表現(xiàn)出明顯的向水性生長(zhǎng)表型回復(fù)表型，暗示了MIZ1可能通過(guò)調(diào)控植物的向重力性生長(zhǎng)來(lái)間接參與植物的向水性表型。進(jìn)一步利用山梨醇模擬干旱脅迫，發(fā)現(xiàn)干旱條件下MIZ1蛋白可抑制生長(zhǎng)素在根尖的流動(dòng)來(lái)減慢根向重力性應(yīng)答反應(yīng)，從而使得蹺蹺板向向水性一方傾斜，從而提高了植物根系對(duì)土壤水分的搜尋能力，有利于植物對(duì)水分的吸收。

植物根尖生長(zhǎng)素的流動(dòng)有賴于生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN的極性定位。進(jìn)一步研究表明干旱條件下，MIZ1蛋白可以通過(guò)負(fù)調(diào)控生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白PIN2和PIN3的細(xì)胞極性定位來(lái)削弱生長(zhǎng)素介導(dǎo)的根系向重力性生長(zhǎng)。研究還發(fā)現(xiàn)，MIZ1主要通過(guò)改變PIN蛋白在細(xì)胞膜上流動(dòng)性和亞細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)速率來(lái)調(diào)控PIN的細(xì)胞極性定位。通過(guò)構(gòu)建miz1/pin的突變體從遺傳學(xué)上進(jìn)一步證明MIZ1可調(diào)控PIN的功能來(lái)發(fā)揮對(duì)根向水性生長(zhǎng)的調(diào)控作用。最后，通過(guò)在土壤中模擬自然條件下miz1，各類pin，以及miz1/pin突變體根系在水分分布不均一土壤中的分布情況闡明MIZ1-PIN調(diào)控模塊在調(diào)控根系向水性生長(zhǎng)中的重要作用。

綜上所述，植物感知到土壤環(huán)境水分變化后可通過(guò)MIZ1蛋白來(lái)變頻PIN的生長(zhǎng)素轉(zhuǎn)運(yùn)功能，進(jìn)而動(dòng)態(tài)平衡根向重力性與向水性生長(zhǎng)應(yīng)答反應(yīng)，使得植物根據(jù)周圍生長(zhǎng)環(huán)境水分變化自由調(diào)整根系水分搜尋能力，該策略極大地提高了植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。該研究不僅明確了向重力性與向水性生長(zhǎng)的關(guān)系，并闡明微重力條件下植物根系的向水生長(zhǎng)變化，同時(shí)也為設(shè)計(jì)節(jié)水抗旱作物的精準(zhǔn)育種提供了策略依據(jù)。

西北農(nóng)林科技大學(xué)為該論文第一完成單位，張余周教授和奧地利科學(xué)技術(shù)研究所Ji?í Friml教授為該論文的共同通訊作者。西北農(nóng)林科技大學(xué)張余周教授和珠拉太博士為共同第一作者，同時(shí)西北農(nóng)林科技大學(xué)研究生劉逸凡和王慧慧、奧地利科學(xué)技術(shù)研究所Adrijana Smoljan也參與這項(xiàng)研究工作。本研究將得到了歐盟“地平線2020”研究與創(chuàng)新計(jì)劃、奧地利科學(xué)基金、IST Fellow項(xiàng)目、秦創(chuàng)原高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才計(jì)劃、西北農(nóng)林科技大學(xué)中央高校業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)，以及植物抗逆高效全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金的資助。同時(shí)相關(guān)工作也得到了西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教學(xué)科研平臺(tái)范寧娟博士的技術(shù)支持。

論文鏈接：

https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2427315122