宾夕法尼亚州立大学 玉米根显示在温室里
收集、测量和测试每个玉米和小麦基因型的根段的拉伸强度和根尖弯曲力
荣誉:汉娜·施耐德，宾夕法尼亚州立大学 宾夕法尼亚州立大学的研究人员称，一种以前未知的根特性使一些谷类植物能够长出更深的根，能够穿透干燥、坚硬、紧实的土壤。他们认为，利用遗传特性可以使作物更好地应对不断变化的气候
“这一发现对美国和全球农业来说是个好兆头，因为这一特性有助于玉米、小麦和大麦长出更深的根，这对耐旱、氮效率和碳固存很重要，”植物科学杰出教授乔纳森·林奇说
“培育这种特性应该有助于开发新的作物来缓解气候变化
" 研究人员称之为多变量皮层厚壁组织——或MCS——这种表型的特征是根表面下有厚壁的小细胞
具有MCS基因型的根具有更高的木质素浓度——木质素是一种复杂的有机聚合物，对细胞壁的形成很重要，尤其是在木材和树皮中，这增加了刚性
与非MCS基因型相比，更多的木质素赋予MCS根更大的抗拉强度和更大的根尖弯曲力
这种增加的刚性有助于根部穿透坚硬的土层
今天发表在《美国国家科学院院刊》上的根解剖研究的发现令人震惊
与不含MCS的玉米品系相比，含MCS的玉米基因型在田间压实土壤中的根系深度增加22%，地上部生物量增加39%
12种小麦基因型和6种玉米基因型在大学园区的温室中生长
大型生长容器，或称“围隔”，被设置在一个压实的土壤层中，以确定哪些根穿透了坚硬的基质
荣誉:汉娜·施耐德，宾夕法尼亚州立大学 首席研究员汉娜·施耐德(Hannah Schneider)是农业科学学院林奇研究小组的博士后学者，她指出，土壤压实会降低孔隙度，限制水分渗透，减少通气量，并通过物理障碍限制根系生长
“压实的土层限制了根的生长和在深层土壤中的探索，从而限制了作物的产量，这反过来又限制了养分和水分的获取，”她说
“有根的植物能够穿透坚硬的土壤并更深地觅食，在获取水分和养分方面具有优势——最终在干旱或土壤肥力较低的情况下表现更好
" 该研究包括田间和温室两个部分，以评估压实土壤中的根系渗透能力
科学家们进行了两项研究根系生长的野外实验——一项在亚利桑那州威尔考克斯的阿帕奇根系生物学中心进行，另一项在宾夕法尼亚州立大学拉塞尔·E
洛克斯普林斯拉森农业研究中心
在每个地点，研究人员种植了六种根木质素含量不同的玉米基因型
每个田间试验都涉及压实和非压实处理
当玉米开花时，在随机选择的植物附近的土壤中取样，以评估根的生长
每个研究地块的两种植物的根也被挖出来并进行评估，并收集茎的生物量
研究人员称之为多变量皮层厚壁组织，这种表型的特征是根表面下有厚壁的小细胞，研究人员使用激光消融断层扫描拍摄的这些图像显示了这一点
具有MCS基因型的根含有更高浓度的木质素，木质素是一种有机聚合物，具有刚性
荣誉:汉娜·施耐德，宾夕法尼亚州立大学 十二种小麦基因型和六种玉米基因型也在大学园区的温室中种植
大型生长容器，或称“围隔”，被设置在一个压实的土壤层中，以确定哪些根穿透了坚硬的基质
在一个多月的生长之后，收集、测量和测试每个玉米和小麦基因型的根段的抗拉强度和根尖弯曲力
这项研究利用激光消融断层扫描术——也称为激光断层扫描术——来观察研究中植物根部的解剖结构
林奇的研究小组在2011年为其他根分析应用开发了这项独特的技术
研究人员使用激光技术可以测量激光切割的不同细胞发出的光谱，以区分不同的组织
他们报告说，在研究人员检测的每种谷物中都发现了MCS的遗传变异，遗传率相对较高，这表明这种性状可以在育种计划中选择
在本研究回顾的植物品系中，MCS存在于30-50%的现代玉米、小麦和大麦品种中
施耐德指出，玉米种植更深的根，以获得更远的水分和养分范围，从而产生更大的产量，这将在人口缺乏粮食安全的地区产生深远的影响
面对不断变化的气候，尤其如此，因为气候变化使得大片地区更容易干旱
“我们在玉米、小麦、大麦和许多其他谷类作物中观察到MCS，我们的工作表明，MCS的许多益处在不同物种中可能是相似的，”她说
“MCS可能是谷类作物耐受压力和增加产量的一个重要特征
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