《Plant Science》：Co-expression gene network analysis identifies key regulators of root-development in contrasting gamma radiation-induced sugarcane mutants
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基于γ射线诱变甘蔗品种Co 99004获得的SRM和RLM突变体显示根系发育的显著差异，转录组学与WGCNA分析揭示auxin信号通路调控根系架构的关键作用，为抗旱高产品种培育提供候选基因。
R Rasitha|Pooja Negi|C. Appunu|G. Ariharasutharsan|P. Vinoth|A. Malarvizhi|P. Senthilrajan|K. Mohanraj|D. Neelamathi|C. Jayabose|R. Sudhagar|Sujaritha M|Ashish K. Srivastava|R. Valarmathi
印度哥印拜陀ICAR甘蔗育种研究所作物改良部门
摘要
甘蔗是一种全球性的经济作物和生物能源作物，但其高耗水特性对可持续生产构成了挑战，尤其是在干旱压力日益严重的背景下。因此，需要培育出具有更高产量、更高效的水分利用能力和更强抗旱性的甘蔗品种，以满足当前和未来的生产需求。鉴于根系结构（RSA）在抗倒伏性、水分吸收、养分吸收和抗逆性方面的关键作用，了解根系发育的遗传调控机制对于培育高产抗旱品种至关重要。通过对 popular 甘蔗品种 Co 99004 进行伽马射线诱导的体外诱变，我们获得了两个突变体品系：超生长型根系突变体（SRM）和无根突变体（RLM）。SRM 显示出高度分化的分生组织细胞和加速的根系发育，而 RLM 则缺乏正常的分生组织层和根系。通过组织特异性转录组分析，我们发现与细胞壁发育相关的 auxin 中心转录网络是导致这两种突变体根系结构差异的原因。SRM 中更强的根系生长与 auxin、组蛋白、过氧化物酶和细胞壁重塑相关基因的协同激活有关；相比之下，HY5 介导的光照和光合作用相关基因表达上调导致 RLM 的根系发育受阻。WGCNA 分析鉴定出的关键基因是改善甘蔗根系结构和抗旱性的潜在候选基因。综上所述，SRM 在当前和未来的气候条件下具有潜在的农艺价值。
章节摘录
引言
甘蔗（Saccharum spp.）是全球种植面积最大的作物，100 多个国家年产量达 19 亿吨（联合国粮食及农业组织，2022 年数据）。甘蔗占全球糖产量和生物乙醇产量的约 87%（Terajima 等，2023 年），使其成为全球粮食和能源资源的重要来源（经合组织/粮农组织，2024 年）。然而，甘蔗的长周期和复杂的基因组结构（约 10 Gb 的基因组大小，存在种间非整倍体现象）给其生产带来了挑战。
根系突变体的鉴定及植物生长条件
本研究使用商业甘蔗杂交品种 Co 99004（亲本品种名为 Damodar）及其通过伽马射线诱导产生的突变体作为遗传材料（Ariharasutharsan 等，2025 年）。Co 99004（以下简称野生型 WT）及其在 V1 代产生的伽马射线诱变表型变异体均培养在含有 CaCl2（4 mg/L）、蔗糖（3% w/v）、酪蛋白（1 mg/L）和椰子水（100 mL/L）的 MS 培养基中。
根系突变体的筛选及根分生组织发育的评估
甘蔗品种 Co 99004 的突变体表型在根系发育方面表现出显著差异（Ariharasutharsan 等，2025 年）。经过多次筛选和根系诱导后，成功分离出两个根系发育特征迥异的突变体品系（图 1A）。WT 和 SRM 在接种培养基后三天内均开始生根，而 RLM 则没有生根现象（图 1B）。
讨论
尽管人们越来越认识到良好根系结构对甘蔗生长和抗逆性的重要性，但其发育的分子机制仍不甚明确。本研究鉴定了两个辐射诱导的突变体 SRM 和 RLM，它们的根系表型截然相反，但遗传来源相同，这为通过转录组分析与 WGCNA 技术联合分析提供了基础。
结论
培育高产、适应气候变化的甘蔗品种对于满足全球粮食和生物乙醇需求至关重要，尤其是在干旱压力日益加剧的情况下。本研究发现了两个根系发育特征不同的突变体：SRM 的茎基部分生组织高度分化，而 RLM 则缺乏正常的分生组织层。这些差异为甘蔗根系结构的遗传改良提供了重要线索。
未引用参考文献
（Hirota 等，2007；Paternak 等，2023；Singh 等，2022；Van Gelderen 等，2018)
资金支持
本研究得到了印度原子能部（DAE）核科学研究委员会（BRNS）的财政支持（项目编号：55/14/12/2022-BRNS）。
CRediT 作者贡献声明
Ashish K. Srivastava：撰写、审稿与编辑、验证、项目监督、资金申请、概念构思。
Pooja Negi：撰写初稿、方法设计、数据分析。
Ramanathan Valarmathi：撰写、审稿与编辑、验证、软件使用、资源协调、项目监督、方法设计、数据分析、数据管理、概念构思。
C. Appunu：撰写初稿、方法设计、数据分析。
R. Sudhagar：资源协调。
利益冲突声明
作者们声明没有利益冲突。
致谢
作者感谢印度农业研究委员会提供的研究支持。本手稿已获得 ICAR 甘蔗育种研究所的出版批准（贡献编号：2025-26/40）。
