《Plant Science》：Functional analysis of barley
HvRTH3 reveals its role in root hair patterning with no detectable impact on drought response
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根毛发育遗传调控及抗旱性关联研究。通过TILLING技术鉴定出barley hvrth3.h突变体，该突变由804bp处G→A碱基突变导致HvRTH3蛋白截短405aa，造成根毛稀少（源于三核细胞数量减少）。基因表达在根伸长区达峰值，突变体在温室和田间均表现减产，但抗旱性未显著受损。该研究首次揭示COBRA蛋白家族成员HvRTH3在根毛发育中的必要性，并证实其在干旱胁迫下的功能可替代性。
贝阿塔·赫米莱夫斯卡（Beata Chmielewska）| 马雷克·马尔泽克（Marek Marzec）| 伊沃娜·萨雷伊科（Iwona Szarejko）| 阿加塔·达斯佐夫斯卡-戈莱茨（Agata Daszkowska-Golec）
波兰卡托维兹西里西亚大学自然科学学院生物技术及环境保护研究所
摘要
根毛是根皮细胞的管状延伸结构，有助于养分吸收，但其在水分吸收中的作用仍存在争议，且可能因物种和土壤类型而异。为了阐明根毛发育的遗传基础，并评估其在大麦（Hordeum vulgare L.）中的生理重要性，尤其是在水分受限条件下，我们研究了一种根毛表型发生改变的突变体。大麦中的HvRTH3基因是玉米COBRA基因roothairless3（rth3）的同源基因，后者编码一种COBRA蛋白（Hochholdinger等人，2008年）。我们对该基因进行了TILLING分析。在hvrth3.h突变体中，突变发生在804 bp位置（G到A的转换），导致提前出现终止密码子，从而使蛋白质长度减少了405个氨基酸。与玉米中观察到的短根毛不同，hvrth3.h突变体中的根毛数量较少，这是由于其毛原细胞数量较少所致。新发现的hvrth3.h突变体与我们在实验室中分离出的任何已知大麦突变体均不同。该突变体在温室和田间条件下表现出根系特征和产量下降，但在严重干旱条件下并未表现出明显劣势。HvRTH3基因在所有分析组织中均表达，其中根伸长区的表达水平最高。HvRTH3基因对根毛发育至关重要，但在严重干旱条件下似乎对水分吸收并非必需。
引言
根毛是从土壤中吸收水分和养分的管状结构，同时也是微生物群相互作用的场所。根毛的直径、密度、长度和发育类型因物种而异（Zhang等人，2023年）。根毛主要有三种分布类型：第一种类型中，所有表皮细胞都能发育根毛，因此它们在根上随机分布（例如莲花）；第二种类型中，表皮细胞经历母细胞不对称分裂或子细胞不对称扩展（Marzec等人，2014年），从而产生两种类型的细胞：产生根毛的短细胞（毛原细胞）和不再形成根毛的长细胞（非毛原细胞）。这种根毛模式见于石松门、某些单子叶植物和睡莲目植物。在大麦中，母细胞进行对称分裂后，子细胞发生不对称扩展。第三种类型具有位置依赖性，是十字花科植物的特征（例如拟南芥）。在这种类型中，毛原细胞位于两个皮层细胞的交界处，而非毛原细胞位于单个皮层细胞下方（Rongsawat等人，2021年）。尽管不同物种之间存在差异，但根毛的发育过程可以基于拟南芥的研究分为四个阶段：首先是根分生组织中的细胞命运决定，随后是根毛分化区的启动、伸长和成熟（Bibikova和Gilroy，2003年；Zhang等人，2023年）。基因网络、激素和各种环境因素共同调控这一过程。越来越多的证据表明根毛在非生物胁迫（如干旱或盐胁迫）下的重要性。胁迫信号首先由质膜上的受体接收，然后传递到细胞质，引发活性氧（ROS）或Ca2+的产生，最终导致基因表达变化（Zhang等人，2023年）。虽然有报道称在最佳田间条件下根毛在大麦中的作用不明显，但在水分不足时情况会发生变化：野生型（WT）或根毛丰富的植物在土壤缺水时叶片水分势更高，ABA浓度更低；此外，根毛丰富的植物茎部磷（P）积累量也更高。然而，在水分不足条件下，根毛的存在有助于保持籽粒产量稳定，而在最佳田间条件下，根毛的存在与否对籽粒产量没有显著影响（Marin等人，2021年）。
关于根毛发育的遗传和分子基础，大部分知识来自模式植物拟南芥，该植物具有较短的生命周期、完全测序的基因组，并且易于进行遗传操作。相比之下，作为全球第四大重要作物的大麦更难以研究。尽管其基因组已测序，但由于生命周期较长且遗传操作难度较大（例如转化效率有限），因此对其研究较为复杂。为了提高我们对谷物根毛发育的理解，一种实际方法是转移并验证在拟南芥中建立的概念。根据现有文献，水稻和玉米中已报道了大约二十种根毛突变体（Koornneef和Meinke，2010年；Schulte等人，2009年）。到目前为止，我们在实验室中鉴定出了二十一种代表不同根毛发育阶段的根毛突变体。所有突变体均通过化学诱变获得，遗传分析表明它们由十个基因编码（Chmielewska等人，2014年）。目前仅鉴定出两个基因：第一个基因编码bLHL转录因子（HORVU.MOREX.r3.7HG0658960），该基因突变会导致无根毛表型（Gajewska等人，2018年）；第二个基因HvCSLC1（类似纤维素合酶的C1蛋白，HORVU.MOREX.r3.1HG0077960）突变会导致根毛生长在初始阶段停止，仅产生根毛原基（Gajek等人，2021年）。在本研究中，我们采用反向遗传学方法鉴定了一个改变根毛表型的基因突变。我们通过文献检索找到了由已知基因突变引起的单子叶植物根毛改变的突变体。所选的玉米rth3基因是最早被鉴定出的负责单子叶植物根毛发育的基因之一，该基因编码一种COBRA样蛋白（Hochholdinger等人，2008年），其突变会导致根毛原基产生但无法伸长。一般来说，COBRA家族的基因参与防御反应、细胞扩展、分裂和细胞壁生物合成（Ahmed等人，2024年）。COBRA家族在每个物种中由多个基因组成，拟南芥中有13个成员，水稻中有11个，玉米中有9个，大麦中有13个（Ren等人，2024年）。为此，我们使用了TILLING方法，针对大麦中的玉米COBRA基因同源基因roothairless3（rth3）（Hochholdinger等人，2008年；Wen和Schnable，1994年）。
本文描述了hvrth3.h大麦突变体的分离和特征分析。获得的数据表明，大麦中的HvRTH3基因可能与玉米中的rth3基因在功能上相关，参与根毛的发育。
植物材料
利用EnsemblPlants（Dyer等人，2025年）和PLAZA Monocots 5.0数据集（Van Bel等人，2022年）鉴定出了大麦中玉米rth3基因的对应基因（GenBank登录号AY265855）：HORVU.MOREX.r3.4HG0383400（EnsemblPlants）和Horvu_MOREX_4H01G298900.1（PLAZA Monocots 5.0）。该基因位于大麦4H染色体上，有两个同源基因。我们使用IRDye-700正向和IRDye-800反向筛选方法从HorTILLUS（Hordeum-TILLING-西里西亚大学）群体中选择了hvrth3.h突变体。
HvRTH3基因的计算机模拟分析
HvRTH3基因（HORVU.MOREX.r3.4HG0383400）是玉米roothairless3（rth3）基因（Hochholdinger等人，2008年；Wen和Schnable，1994年）的大麦同源基因。该基因的基因组序列长度为2377 bp，编码序列长度为2022 bp，仅包含一个外显子（图1A）。保守结构域数据库分析显示，其CDS中央部分含有一个COBRA样结构域（核苷酸728–1284）。预测的大麦蛋白与玉米RTH3蛋白的相似度为86%。
讨论
根毛是根表皮细胞（称为毛原细胞）的圆柱形延伸结构，通过质膜上的囊泡融合和定向的细胞壁沉积实现生长。尽管根毛的发育过程在拟南芥中已被详细描述，但在单子叶植物中仍有许多关键步骤尚未完全阐明。最早与根毛发育相关的单子叶植物基因之一是玉米roothairless3（rth3），该基因编码一种COBRA样蛋白（Hochholdinger等人，2008年；Wen
结论
在我们的研究中，我们鉴定出一种携带HvRTH3基因中提前终止密码子的大麦品系，该基因是大麦中rth3基因的同源基因。生物信息学分析表明，这一截断去除了GPI锚定所需的C末端ω位点，可能干扰了支持各向异性（纵向）细胞扩展的过程。hvrth3.h突变体表现出改变的根毛表型。共分离分析、组织表达谱分析和相对表达分析进一步证实了这一结果。
资助信息
本研究得到了欧盟第七框架计划项目“EURoot：增强谷物作物在胁迫条件下的根系养分吸收”（项目编号289300）以及波兰国家科学中心（NCN）的资助（DEC-2023/07/X/NZ9/00721）的支持。
作者贡献声明
阿加塔·达斯佐夫斯卡-戈莱茨（Agata Daszkowska-Golec）：撰写、审稿与编辑、研究设计、概念构思。贝阿塔·赫米莱夫斯卡（Beata Chmielewska）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、软件应用、项目管理、研究实施、资金获取、概念构思。伊沃娜·萨雷伊科（Iwona Szarejko）：撰写、审稿与编辑、资金获取、概念构思。马雷克·马尔泽克（Marek Marzec）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、研究实施。
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。
