氮素是限制农业生产的主要因子之一,对作物的生长发育有深远影响。根系是作物吸收养分的主要器官。塑造高效的作物根系构型是实现氮肥减施增效的重要途径。研究根系对低氮的响应规律是塑造高效作物根系构型的基础。本研究以K836（K1）和K837（K2）为试验材料,开展了根系原位观测试验（自制根系原位观测装置）,以国欣棉9号为材料进行了棉花根系生理试验,两个试验均设置两个氮素浓度:低氮,0 mg N·kg-1 土,正常氮,138 mgN·kg-1 土。系统研究了低氮条件下棉株的形态及生理学特征,通过转录组分析揭示了根系对低氮响应的分子机制。研究的主要结果如下:1.不同氮处理对地上部的影响低氮处理显著抑制了地上部的生长,和正常氮处理相比,K1和K2在低氮处理下的株高分别降低了 11.38%、9.64%,茎粗分别降低了 12.50%、7.83%。低氮处理下的SPAD值和叶面积,K1和K2在出苗后50 d开始,国欣棉9号在出苗后40 d开始显著低于正常氮处理。低氮处理显著降低了叶片超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性,在出苗后100 d时,分别比正常氮处理降低了 54.38%、23.06%和55.18%。和正常氮处理相比,低氮处理显著增加了叶片中丙二醛和脱落酸的含量,在出苗后100d时,分别升高了 14.64%和 34.80%。2.不同氮处理对干物质质量及产量的影响低氮处理显著降低了棉株各器官和总的干物质积累量,至出苗后100 d时,国欣棉9号的根、茎、叶和蕾/铃及总干物质质量分别比正常氮处理降低了 54.33%、65.55%、81.87%、93.89%和78.54%,其根干物质分配率和根冠比分别比正常氮处理增加了112.76%和157.75%;至出苗后110 d时,K1的根、茎、叶和蕾/铃及总干物质质量分别比正常氮处理降低了 21.86%、18.69%、30.38%、45.40%和36.13%,根干物质分配率和根冠比分别比正常氮处理增加了 22.78%和33.33%;K2的根、茎、叶和蕾/铃及总干物质质量分别比正常氮处理降低了 1 8.03%、17.56%、27.85%、42.77%和33.81%,根干物质分配率和根冠比分别比正常氮处理增加了 23.93%和33.33%。K1和K2在低氮处理下的籽棉产量分别比正常氮处理降低了 22.18%和20.72%。3.不同氮处理对侧根的影响不同氮处理对侧根密度无显著影响。K1和K2在低氮处理下的侧根角度分别比正常氮处理降低了 6.25°和4.65°。和正常氮处理相比,低氮处理显著降低了侧根的直径,K1和K2的一级侧根直径分别降低了 5.54%和6.59%,二级侧根直径分别降低了6.38%和3.52%。K1和K2在低氮处理下的一级侧根寿命比正常氮处理分别增加了 3.93 d和3.84 d,二级侧根寿命分别增加了 4.96 d和5.46 d。4.不同氮处理对根毛的影响低氮处理显著增加了一级侧根和二级侧根的根毛长度和密度,K1和K2在低氮处理下的一级侧根的根毛长度分别增加了 1 7.49%和18.24%,二级侧根根毛长度分别增加了 14.15%和22.55%,一级侧根根毛密度分别增加了 7.71%和5.26%,二级侧根的根毛密度分别增加了 12.43%和10.28%。和根毛长度及密度的结果相反,低氮处理显著降低了根毛的寿命,K1和K2的一级侧根根毛寿命分别比正常氮处理缩短了 1.19 d和1.90 d,二级侧根根毛寿命分别缩短了 1.78 d和1.48 d。5.不同氮处理对根系发育动态的影响低氮处理显著降低了主根直径,K1和K2在低氮处理下的主根直径分别比正常氮处理降低了 12.11%和9.85%。主根直径的变化动态可以很好的由logistic曲线拟合,决定系数R2在0.93以上。低氮处理下主根直径的最大积累速率大于正常氮处理,K1和K2分别增加了 4.09 μm·d-1和13.99 μm·d-1,快速积累持续时间分别比正常氮处理缩短了 7.54 d 和 10.92 d。侧根的长度和直径从出生到恒定大约是11 d。根的日伸长率随着侧根出现后天数的增加而降低。在侧根出现后的第1～3 d,低氮处理的侧根日伸长率显著大于正常氮处理,在第4～10 d,低氮处理的侧根日伸长率显著小于正常氮处理,到第11 d时,两处理间无显著差异。在根出现后的第2d和第6～10d,低氮处理的侧根日增粗率显著低于正常氮处理,在根出现后的第3～5 d,低氮处理的侧根日增粗率显著大于正常氮处理。6.不同氮处理对根系衰老相关酶活性和激素含量的影响低氮处理显著增加了根系在出苗后100 d时的超氧化物歧化酶活性,比正常氮处理提高了 31.54%,同时显著提高了出苗后60、80和100 d时的过氧化氢酶活性,分别比正常氮处理提高了 28.43%、108.70%和225.71%。低氮处理在出苗后60、80、和100 d时的丙二醛含量显著低于正常氮处理,分别比正常氮处理降低了 41.38%、55.17%和 48.15%。和正常氮处理相比,低氮处理显著降低了根系中生长素的含量。不同氮素处理对根系中赤霉素和玉米素核苷的含量无显著影响。在出苗后80 d时,低氮处理的茉莉酸甲酯含量显著低于正常氮处理。在出苗后80和100 d时,与正常氮处理相比,低氮处理显著降低了根系中的脱落酸含量,分别降低了 47.32%和48.82%。7.侧根差异表达基因数量分析共鉴定到14607个差异表达基因（DEGs）。在出苗后20、40、60、80和100 d时,分别鉴定出2194（上调,1027;下调,1167）、7271（上调,2714;下调,4557）、6740（上调,1833;下调,4907）、4778（上调,1680;下调,3098）和 5228（上调,1735;下调,3493）个 DEGs。8.侧根寿命调控相关途径分析共鉴定到186个活性氧清除系统相关的DEGs。其中与寿命正相关的基因HSP26-A、GSTU8、MIOX2和MIOX4等均显著上调表达。共鉴定到90个激素相关的DEGs。脱落酸合成基因NCED1、NCED6以及受体基因PYL12在出苗后80和100 d时显著下调表达。共鉴定到70个与细胞周期和凋亡相关的DEGs,大部分均下调表达。大部分MYB转录因子家族基因下调表达。9.权重基因共表达网络分析（WGCNA）通过WGCNA分析,共得到了16个不同的表达模块。其中,模块“MEbrown”与根长度、直径、表面积和体积等形态性状,可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脱落酸含量等生理性状呈显著正相关,而模块“MEmagenta”则相反。在模块“MEbrown”鉴定到5个关键基因,分别为GhirA05G025560、GhirA03G004210、GhirA11G025240、GhirA02G001380和GhirD02G002510。在模块“MEmagenta”鉴定到 3 个关键基因,分别为GhirD13G019870、GhirD10G012140 和 GhirA02G010460。综上所述,棉花通过降低侧根直径、侧根角度和根毛寿命,增加侧根寿命和根毛长度及密度来适应低氮环境。低氮环境下,棉花侧根寿命的增加主要和内源激素含量变化,活性氧清除系统、细胞凋亡和衰老相关转录因子基因的表达相关。上述结果揭示了不同根序侧根和根毛形态及寿命对低氮环境的响应规律,丰富了棉花根系研究理论。