《The Crop Journal》：Root cortical senescence: An adaptive mechanism for drought tolerance in crops
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本文综述了根系皮层衰老（RCS）作为植物应对干旱等逆境的重要适应性机制。RCS通过程序性细胞死亡（PCD）减少根系维持呼吸的碳消耗，优化根系构型（RSA）和资源分配，从而增强作物水分获取和抗旱性。文章系统阐述了RCS的时空特征、功能、调控网络（涉及乙烯、ABA、bHLH121、GhSAG12等关键因子），并探讨了其在育种和可持续农业中的应用潜力与挑战。
引言
环境胁迫限制了作物的生长发育。自20世纪70年代以来，气候变化显著增加了干旱等极端气候事件的频率和强度，深刻影响着全球农业生产和粮食安全。干旱胁迫可导致主要作物减产高达50%。在此背景下，培育耐旱品种和优化从土壤中获取水分的能力对于实现全球粮食安全和推进农业可持续发展至关重要。根系作为植物与土壤环境的主要界面，其功能与衰老密切相关。当光合产物向根部的供应减少时，碳限制可能引发根系过早衰老，从而加速叶片衰老。因此，维持健康、功能强大的根系对于延缓叶片衰老、增强胁迫抗逆性和稳定作物产量至关重要。
根系皮层的生理功能
根系皮层通常占据根横截面的大部分，由多层薄壁细胞组成。其生理和代谢功能包括介导水分和溶质从根际向中柱的径向运输，作为非结构性碳水化合物、蛋白质和矿质营养的主要储存库，以及生长调节剂生物合成、感知和周转的主要场所。皮层还通过细胞间空隙和通气组织促进气体交换，并通过分泌有机酸、糖、酚类化合物和粘液影响根际微生物群落和养分有效性。在机械支撑和保护方面，膨大的皮层细胞可作为缓冲层，分布土壤压实、干湿循环或风引起的植物运动产生的压缩力和弯曲力。皮层内缘和外缘的屏障组织（如内皮层和外皮层）通过限制不受控制的质外体通量、限制病原体侵入和减少脱水来进一步保护中柱。
根系皮层衰老的时空特征与功能
定义与时空特征
根系皮层衰老（RCS）是一种定位于根皮层细胞的程序性细胞死亡（PCD），在单子叶作物中尤为显著。时空上，RCS通常起始于外层皮层并向内发展。尽管皮层衰老和分解，表皮通常保持完整，增大的细胞间隙和中柱仍然清晰可辨。
RCS在单子叶和双子叶物种之间存在显著差异。在单子叶物种（如小麦、大麦）中，RCS通常遵循清晰的时空梯度，且更为普遍。例如，出苗后15天，小麦幼苗中80%–90%的皮层细胞发生脱核（RCS的标志）；而在双子叶物种棉花中，出苗后32天，仅26.3%–56.7%的皮层细胞脱核。因此，RCS在单子叶物种小麦中通常比在双子叶物种棉花中更为显著。
RCS的定量方法
细胞活力染色是表征RCS的广泛使用的方法，适用于实验室和田间材料。该方法使用中性红、碱性品红、台盼蓝、吖啶橙等活性染料来评估RCS的程度和空间分布。除染色外，先进的成像和建模技术，包括X射线显微计算机断层扫描（显微CT）、共聚焦显微镜和OpenSimRoot/SimRoot功能-结构模型，能够精确评估皮层细胞解剖结构、活细胞状态以及RCS的功能后果。随着深度学习和图像处理的进步，基于人工智能（AI）的图像分析技术，特别是利用U-Net++、DeepLabv3+进行2D语义分割，以及Mask R-CNN/Mask2Former进行实例/全景分割的架构，已在根系结构分析中展现出强大性能。
干旱胁迫下RCS的功能机制
RCS通过重塑根系构型（RSA）、重新分配碳和养分以及调整水分和溶质的径向运输，促进干旱胁迫适应。在水分有限的条件下，这些调整共同有利于更深的土壤探索和改善的全株水分状况。
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RSA重塑与更深扎根：RCS通过重塑RSA促进更深扎根，以增强干旱胁迫下土壤资源的获取。例如，在棉花中，更广泛的RCS与更多的根分支和更深扎根相关，共同增强了水分吸收能力和整体抗旱性。
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碳经济与资源再分配：RCS可以通过降低皮层组织的代谢和养分成本来改善植物碳经济，使得更多资源能够分配给根系生长和繁殖。大麦的实证证据表明，表现出最大RCS的根段比非衰老段根系呼吸降低87%，氮含量降低66%，磷含量降低63%。这种呼吸和养分负担的下降有效地释放了可在植物内重新分配的碳和养分。功能-结构模型SimRoot表明，这种类似RCS的解剖结构（更少的皮层细胞列、增大的皮层细胞和通气组织）在氮、磷或钾受限时，可使模拟植物生长增加高达40-70%，主要是因为较低的皮层维持成本允许更多的碳和养分投入到新根和繁殖器官中。
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水力调节与径向运输优化：RCS还改变根的径向水力导度（Kr）和养分运输，重塑水分和溶质在根柱中的移动方式。在大麦中，最大RCS将水分、硝酸盐和磷酸盐的径向运输限制在非衰老段的80-90%。在缺水条件下，较低的Kr可能减缓根系水分的径向外排，有助于保存根际水分并提高全株水分利用效率（WUE）。同时，RCS倾向于保留邻近活跃侧根的皮层细胞，从而保持了水分和养分流入仍然高效的高导度窗口。因此，从水力学角度来看，RCS将根系划分为低成本、低Kr区和代谢活跃的吸收区。
干旱胁迫下RCS的决定因素与调控架构
影响RCS发生的因素
RCS的发生受多种因素影响，包括基因型与发育、环境与土壤、植物激素调控以及细胞和解剖性状。
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基因型与发育：RCS的发生取决于植物基因型、发育阶段、生长介质以及根系内的位置，表现出强烈的发育依赖性。例如，小麦种子根比黑麦草、大麦和燕麦的根显示更快的RCS进程。
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环境与土壤：一系列环境和土壤条件，如涝渍、氮磷可利用性不平衡以及干旱胁迫，塑造了RCS的发生和强度及相关皮层重塑。
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植物激素调控：RCS的速率和程度受到植物激素的严格调控，特别是乙烯和脱落酸（ABA）。在低氮和低磷条件下，乙烯处理分别使RCS比未处理对照显著增加30%和46%。类似地，施用ABA促进棉花主根中的RCS，而抑制ABA生物合成则显著阻断RCS。
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细胞与解剖性状：影响RCS的细胞和解剖性状包括：（1）皮层细胞大小和细胞层数；（2）液泡化动态；（3）细胞壁沉积和细胞间隙结构；（4）植物激素信号传导和代谢相关基因表达。
RCS的分子调控网络
RCS越来越被认为是一种高度调控的发育程序，可以在干旱胁迫下赋予适应优势，而不是一个被动的退化过程。
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乙烯模块：在衰老信号通路的以乙烯为中心的分支中，乙烯信号激活转录因子，协调驱动通气组织形成的基因表达程序。乙烯响应因子（ERF）家族成员（如SUB1A、RAP2.2、RAP2.12）的表达被低氧和乙烯快速诱导。这些基因编码的ERF-VII成员是缺氧感应的核心，并与靶基因启动子中的涝渍响应元件和乙烯响应元件结合，激活一系列PCD相关基因（如Metacaspases、Cysteine proteases和Nucleases）。
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ABA模块：在ABA为中心的模块中，RCS的形成并非由ABA单独驱动，而是源于ABA与其他信号（包括通过ACC合酶（ACS）和ACC氧化酶（ACO）的乙烯生物合成）之间的串扰。ABA激活SNF1相关蛋白激酶2（SnRK2）激酶级联，启动依赖于ABA响应元件结合因子（ABF，来自AREB/bZIP家族）、NAC和MYB家族成员的细胞壁重塑和衰老转录程序。这些转录因子之间的串扰可以增强乙烯效应子乙烯不敏感3（EIN3）以及ERF1和ERF5的作用。同时，ABA上调RBOHD表达，促进活性氧（ROS）产生和细胞内钙（Ca2+）内流，共同驱动PCD。
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bHLH121转录/表观遗传枢纽：bHLH121已被功能验证为调控RCS形成的核心转录因子。bHLH121的功能丧失和过表达研究证明了其位于RBOHD–ROS–PCD–RCS通路的上游，将RCS与较低的代谢成本和增强的资源获取联系起来。bHLH121转录因子还通过蛋白质-蛋白质相互作用和经过反复验证的上下游遗传关系驱动缺铁响应网络。这些转录节点的活性受染色质状态调控。
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GhSAG12执行模块：GhSAG12属于C1A家族的木瓜蛋白酶样半胱氨酸蛋白酶，优先定位于衰老相关液泡，并执行液泡依赖性蛋白水解；它是RCS执行阶段的关键节点。随着胁迫升级，ABA和乙烯通过RBOHs触发ROS脉冲，并触发使细胞对RCS敏感的Ca2+瞬变。随后，植物胱抑素在表达和/或活性上的下调解除了对GhSAG12的抑制，导致执行机制的“门控释放”。GhSAG12活性窗口的持续时间和幅度决定了RCS传播的速度和范围，使根横截面表型沿着根皮层通气组织（RCA）-RCS连续体变化。
根系功能与衰老的关系
根系功能与植物衰老密切相关。吸收水分和养分的根系影响着地上植物组织和器官的衰老。当根系功能动态与地上部生长发育不同步时，根与地上部器官之间的协调性恶化，导致叶片过早衰老或过度伸长。从这个意义上说，根系吸收能力与地上部需求在时间上的匹配是全株寿命的关键决定因素。
源-库平衡：源-库关系失衡可能是作物过早衰老的关键驱动因素。对于地上部分，相对于源能力的过量库需求会增加同化物输出的压力，并导致叶片衰老加速。当光合产物向根部的供应减少时，碳限制可能引发根系衰老，限制水分吸收能力，并导致向叶片输送水分和养分不足，从而诱导叶片衰老。因此，根系功能处于耦合冠层光合作用、地下资源获取和衰老时间的源-库网络的中心。
根系植物激素信号：根系来源的植物激素提供了根系功能与全株衰老之间的另一个重要联系。较低的细胞分裂素水平和较高的ABA水平可能作为触发地上器官衰老的信号。这种诱导的衰老可能反映了衰老细胞中细胞分裂素生物合成酶活性降低或细胞分裂素运输中断，从而提高了叶片中叶绿素降解酶的活性并加速叶绿素分解。同时，ABA生物合成基因的激活增加了ABA前体水平，促进ABA生物合成和积累；一旦通过木质部运输到地上组织，ABA就会激活叶片信号级联并诱导衰老相关基因（SAGs），破坏植物激素稳态并引发叶绿素降解、PCD和过早衰老。
局限性与挑战
RCS适应性机制的不确定性：RCS是否通过改变根系分泌物来重塑根际微生物组？RCS后，皮层细胞裂解释放的代谢物和根系分泌物创造了一个富含有机碳、氧化还原异质的环境。这种转变可能有利于利用复杂和溶解有机碳的富营养微生物。同时，局部氧气耗竭和pH变化可能抑制专性需氧菌并富集兼性厌氧菌。因此，RCS可能既是一种结构结果，也是根系调节根际生态位和功能的一种适应性杠杆。
RCS的农艺价值是普遍积极的，还是情境依赖的权衡和意外后果限制、甚至有时逆转了其益处？RCS的适应益处是情境依赖的，存在一些权衡。首先，剩余的活皮层可能不足以支持蒸腾需求和养分吸收的突然增加。其次，质外体屏障（如木质化和栓质化）的加固进一步提高了径向阻力。第三，水通道蛋白的水分传导可能被短暂下调。功能上，这种结构与运输之间的滞后延迟了气孔导度和碳同化的恢复，延长了干旱胁迫到复水的轨迹。
RCS发生模式不明确：RCS由内部和外部因素的复杂相互作用触发。环境条件（包括土壤水分、温度和养分可用性）和发育阶段（幼苗期、营养生长期或生殖生长期）驱动RCS发生时间和程度的巨大变异，真正定量分析RCS起始和进程的研究很少。RCS的表型和生理表现在不同作物物种间差异很大，这使得概括其发生模式变得复杂。
动态RCS表型分析和建模技术的局限性：表型分析的瓶颈：衡量RCS作为研究性状的一个主要限制是难以准确表征田间根系衰老。大多数当前方法依赖于破坏性取样、手动切片和细胞活力染色，这些方法通常只能捕获根轴上的短暂片段，无法提供整个根系中RCS三维分布的全面视图。此外，许多实验研究在水培系统或凝胶/沙质基质中进行，其根系构型、土壤机械阻抗和根际组织与田间条件有很大不同。成像和表型分析技术在准确、实时追踪RCS的时空三维动态方面面临挑战。
跨尺度模型整合：另一个挑战在于将RCS整合到功能-结构和作物模型中。尽管现有框架（如根系生长模拟模型）可以表示皮层解剖结构或活皮层比例的变化，但在参数化RCS方面仍存在很大的不确定性：其起始阈值、传播速率以及对Kr、呼吸和养分吸收的反馈。在许多情况下，RCS仅被视为根系呼吸或径向导度的简单降低，没有明确尝试将其与植物激素动态、根际条件或基因特异性调控联系起来。
将RCS研究转化为实际农业应用的挑战：显著的基因型×环境（G × E）相互作用使向田间环境的推断复杂化。尽管如此，越来越多的田间证据将RCS及相关皮层解剖结构与产量联系起来。在干旱胁迫下，具有较强RCS的玉米自交系在多个田间地点始终优于RCS较弱的基因型，产量增益达33–114%，并伴随着更低的根系呼吸、更深的扎根和增强的水分吸收。在涝渍条件下，携带促进RCS数量性状基因座（QTL）的大麦品系比缺乏这些QTL的对照品系形成更多的通气组织，并表现出更高的地上部生物量和分蘖数，导致平均产量增加1.8吨/公顷。在低磷田间条件下，活皮层面积较小（即RCS较强）的玉米品系比RCS较弱的品系产量高60%，根系呼吸低75%，根磷含量低54%，扎根深度深20厘米，生物量高20-150%。从这些结果来看，其效果应在环境分层（干旱胁迫、涝渍和低磷）中规定，微生物组应作为协变量共同测量和建模，并应包括恢复阶段终点，以避免过度概括并确保稳健的田间建议。
基因型、环境和管理之间的相互作用使情况进一步复杂化。在基因型方面，关键性状包括活皮层面积（或通气组织面积）、根Kr和质量比根系呼吸速率。在环境方面，核心梯度包括非生物胁迫强度、垂直资源分层、根际氧化还原状态和土壤通气孔隙结构。具有中度干旱胁迫、高通气性和主导性深层资源供应的环境更适合高RCS表型，而具有高频脉冲灌溉/降雨和低根际氧化还原电位的环境则有利于中等RCS表型。
结论与展望
RCS不是一个被动的过程，而是一个有益的适应性程序。然而，当RCS超过其最佳范围时，它可能减少水分和养分吸收，削弱机械稳定性，减少菌根共生，并改变根际氧化还原条件以及氮和碳循环。因此，本综述综合了关于干旱胁迫如何在表型、生理和分子水平上影响作物RCS的知识，描述了其潜在的分子机制和调控网络，从而突出了RCS-根系衰老-耐旱性连续体的重要作用。
协调遗传和农艺策略：为了在胁迫条件下达到可接受的生产水平，选择或培育具有优化RCS和较低根系呼吸速率的作物品种，并辅以适当的灌溉和施肥管理至关重要。这种综合策略确保了作物生长，增强了生长稳定性，并提高了胁迫条件下的作物产量。潜在的遗传杠杆包括通过CRISPR/Cas9介导的基因编辑调控皮层相关基因（如OsSCR1、ZmSHR2）。其他方法包括调整RCS相关因子（如GhSAG12、GhbHLH121）的表达，以及使用情境感知的ABA应用来调整（而不是统一加速）RCS的时间和程度，从而降低维持碳成本。最后，补充实践，如亏缺/精准灌溉、部署有益根际细菌（如枯草芽孢杆菌）和有针对性的土壤改良剂，可以增强根系功能并提高胁迫下的资源利用效率。
耦合田间碳再分配与作物模型：根系维持呼吸占地下碳支出的很大一部分。实证证据和源-库模型共同表明，RCS降低了这些呼吸成本并将碳重新分配到新根的生长中，这为其在耐旱性方面的益处提供了机制基础。在此背景下，功能-结构根系模型如OpenSimRoot提供了关键的参数化杠杆，包括活皮层比例、空隙区范围、根系呼吸速率和Kr，以动态地将根系解剖和功能表型与作物尺度的源-库过程联系起来。
高通量表型分析与预测建模系统：RCS的程度及其对产量和胁迫适应的贡献需要在G × E框架内明确评估。这种方法要求将能够追踪RCS时空动态的高通量表型分析平台与预测建模系统整合起来，从而能够在不同环境和管理体系中定量评估基因型表现。对于解剖成像，2D和3D根横截面可以使用U-Net++和DeepLabv3+进行语义分割。表型输出优先考虑模型就绪、功能可解释的性状，包括活皮层面积、皮层细胞列数和通气组织面积。对于性状到性能的预测，XGBoost、LightGBM和弹性网络提供基线，而时间融合转换器处理具有基于SHAP可解释性的面板和时间序列数据集。机制耦合用活皮层比例、维持呼吸系数、径向导度参数化OpenSimRoot/SimRoot，并将其与GECROS连接以解析冠层源-库动态和产量形成。稳健的校准、敏感性分析和跨环境验证对于确保模型可靠性以及支持将RCS相关性状从受控实验转化到田间条件至关重要。
