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磷是植物生长发育不可缺少的大量营养元素之一。然而土壤有效磷浓度却通常在1μM左右,远不能满足植物获取充足磷营养的需求。在玉米主栽区,土壤有效磷不足是限制玉米产量和增加生产成本的重要因素之一,因此深入研究玉米耐低磷机制具有重要的理论意义和应用价值。根系是高等植物吸收矿质元素的主要器官,具有高度可塑性,其形态发育对于吸收和利用土壤中分布不均并且难于移动的磷素尤为重要。通过改变根系形态结构来提高对土壤磷素的吸收能力是植物应对低磷环境的有效策略之一。玉米自交系齐319去胚乳幼苗根系形态对低磷环境的适应性变化本研究首先以玉米骨干自交系齐319去胚乳幼苗为材料,观察分析低磷处理（5μM KH2PO4）对其根系形态的影响,明确玉米根系对低磷环境的适应性变化。结果显示,随着低磷处理时间的延长,齐319植株体内磷浓度不断降低,磷含量显著减少,而体内磷素的利用效率明显提高。但相对于地上部分,低磷胁迫下植株将更多的磷素分配到根系,这可能是低磷胁迫下植株能更好地维持根系生长发育的一个重要原因;低磷胁迫下植株地上部分生长发育受到显著抑制,而根系却在较长的低磷处理时间内能够更好地维持生长;低磷胁迫植株根冠比明显高于对照,意味着低磷胁迫下植株将更多的碳水化合物分配到根系,优先保证根系的正常生长发育。在一定低磷胁迫时间内,齐319轴生根生长速率加快,与足磷对照相比,轴生根的长度明显增加。通过PI染色发现低磷胁迫下成熟根细胞长度并未发生显著变化,推测低磷胁迫下轴生根伸长加快可能主要是根尖细胞分裂活性增加,分裂速度加快的结果。福尔根染色表明低磷胁迫下齐319侧根原基数目显著减少;低磷处理下齐319侧根数目也明显少于对照。以上结果表明低磷胁迫显著影响玉米根系形态,而且根不同部位对低磷胁迫的响应也不尽相同:低磷胁迫下玉米齐319轴生根长度显著提高,而侧根发生明显受抑制,更倾向于形成一个轴生根长而分支少的根系统。这与低磷介导的拟南芥根系形态改变存在明显不同。这些结果揭示了低磷介导的植物根系构型变化具有物种特异性,不同植物的根系对低磷环境可能具有不同的响应方式。利用玉米全基因组寡核苷酸芯片检测齐319去胚乳幼苗低磷处理不同时间根尖和侧根原基发生区的基因表达变化植物对低磷环境的适应性变化本质上是基因表达调控发生变化的结果。我们利用玉米全基因组寡核苷酸芯片,以齐319去胚乳幼苗为材料,分别检测了低磷处理1天,8天的玉米根尖区段（处理1天时轴生根生长速率和体内磷浓度均未出现明显的变化,而处理8天时,与对照相比,轴生根长已经显著增加,磷浓度明显降低）和2天,8天的侧根原基发生区段（处理2天时侧根原基数目无明显变化,而处理8天时,与对照相比,侧根原基数目已经显著减少）的基因表达谱变化。将处理和对照的信号值符合p＜0.05,平均变化倍数≥1.5且三次独立的重复实验中变化倍数均大于1.5倍的探针作为有生物学意义的差异表达转录本。结果表明,低磷处理1天,8天的玉米根尖区段中分别有130和1221个基因发生差异表达,而低磷处理2天,8天的玉米侧根原基发生区段中分别有202和717个基因发生差异表达。这些差异表达基因涉及代谢、细胞信号转导、转录相关、细胞增殖和生长调控、能量、运输、蛋白合成与命运、细胞防御及应答等多个分类范畴。功能分类也显示了玉米根系对不同程度的低磷胁迫有着不同的应答反应,并且不同的根部位对低磷胁迫的响应也存在明显不同,这表明植物根系对低磷胁迫的应答是一个复杂的过程。多种与磷素转运,动员及代谢相关基因的表达,如磷转运体,酸性磷酸酶,核糖核酸酶,SPX基因以及磷脂,糖脂和硫脂代谢相关基因等,受到低磷胁迫的影响,这些基因的表达变化对于增强植株磷吸收能力,提高磷利用效率具有重要意义。在对低磷胁迫下轴生根根尖的基因表达变化分析中,发现大量与信号转导,转录调控,细胞增殖和生长等相关基因发生差异表达,如多种蛋白激酶和磷酸酶,多个家族的转录因子,激素代谢和信号传递基因,细胞周期调控蛋白等,可能在连接外部磷浓度改变和根系适应性变化方面扮演着重要的角色。这揭示了根尖细胞分裂活性的改变与多种细胞增殖和生长调控基因的差异表达是密切相关的。对低磷胁迫下侧根原基发生区段的转录组进行分析发现,多个与侧根发育相关基因的表达水平发生变化,如LOB domain基因,蛋白磷酸酶PP2A,ResponseRegulator,ACC氧化酶等,涉及信号转导,激素调控等多个方面,可能是低磷信号调节侧根原基发生的中间媒介。这表明多种侧根发育相关基因可能参与了低磷胁迫下玉米侧根原基发生受抑制的过程,并且发挥重要作用。总之,本工作通过对低磷处理下玉米齐319根系形态的观察和不同处理时间时轴生根不同部位（根尖区段和侧根原基发生区段）的转录组分析,初步确定了玉米根系形态对低磷胁迫响应的具体表现,揭示了低磷胁迫对玉米根系生长发育和转录组的影响,为寻找低磷环境中可能影响玉米根系构型和磷效率的相关基因,探讨低磷胁迫下植物根系形态重塑的分子机制提供了有价值的信息,这对挖掘利用磷高效关键基因,进而提出作物磷高效分子育种策略具有重要意义。