植物根系为获取土壤中非均匀分布的养分资源进化出形态可塑性及功能适应性。侧根发育通过感受外部信号与自身系统调节机制重塑根系构型,从而提高养分获取能力及环境适应性。作为植物生长的必需元素,氮素的分布与有效性影响侧根的伸长及发生。与模式植物拟南芥相比,玉米根系的复杂结构及形态多样性使得目前对其如何响应非均匀分布的硝酸盐及其调控机制并不清楚；玉米作为世界重要的粮食及能源作物,在其生产过程中过量氮肥投入导致资源浪费及环境风险。本论文采用植物生理与分子生物学研究方法及生物信息学技术,研究了局部高浓度硝酸盐诱导玉米侧根发生的生理及分子机制；通过对过去50多年已发表数据的分析及2年田间验证实验,揭示了玉米根系构型及空间分布与氮肥利用效率的关系。主要结果如下：(1)比较了苗期主根、第二、第五及第七轮(吐丝期)节根响应局部高浓度硝酸盐处理的形态变化。发现该处理仅能诱导苗期主根及第二、第五轮节根上侧根长度增加,但能导致吐丝期第七轮节根上侧根长度及密度增加；二级侧根的表型可塑性明显高于一级侧根,第七轮节根上侧根长度及密度的表型可塑性高于其他轮节根。随生育期延长,不同轮次节根数目、直径及后生木质部导管数目增加,并与地上部生物量及氮素累积呈正相关。局部高浓度硝酸盐处理导致分布在处理区以外的根系生长受到抑制。(2)比较了苗期主根及吐丝期第七轮节根在局部高浓度硝酸盐处理后根系氮素吸收的生理和基因表达变化。发现该处理显著增加了植株氮素吸收量,但并不影响处理根系的单位根长’5N吸收速率,并且抑制硝酸盐高亲和转运蛋白基因ZmNrt2.1和ZmNrt2.2的表达。表明该处理增加植株氮素累积主要是通过根系的形态可塑性变化而不是生理变化来实现的。(3)发现局部高浓度硝酸盐能诱导吐丝期第七轮节根韧皮部对应的中柱鞘细胞分裂从而引起侧根密度增加。将中柱与皮层组织分离,进行中柱组织转录组测序(RNA-Seq)结合动态基因表达分析,发现处理后促进细胞循环的细胞周期蛋白基因(cyclin B)和细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶基因(cyclin-dependent kinases B, CDKB)表达上调,而抑制细胞循环的KIP相关蛋白基因(Kip-related proteins, KRP)表达显著下调。引入DR5::RFP转基因株系及超高效液相色谱-点喷雾串联质谱技术测定生长素,发现该处理引起生长素由根尖组织经侧向根冠细胞向侧根发生区域运输并在韧皮部中心局部累积。进一步结合激光捕获显微切割技术(Laser Capture Microdissection, LCM)及实时荧光定量PCR技术,发现玉米PIN-FORMED(PIN)基因家族特有的ZmPIN9控制生长素由根尖韧皮部及内皮层细胞向中柱鞘细胞分配,导致侧根发生。(4)形态及组织化学分析表明,局部高浓度硝酸盐处理不能诱导苗期主根和种子根以及第一轮节根根尖的中柱鞘细胞分裂及侧根起始。进一步联合激光捕获显微切割及转录组测序技术(LCM-RNA-Seq),分析上述三种根系和吐丝期第七轮节根根尖韧皮部对应的中柱鞘细胞在转录水平的差异,发现在均匀低硝酸盐或局部高硝酸盐下,吐丝期节根的转录组显著区别于其他三种根系,并且局部高浓度硝酸盐诱导吐丝期节根的转录组差异小于其余根系类型的差异。在第七轮节根根尖韧皮部对应的中柱鞘细胞中检测到3,313个活性基因(active gene),显著多于其他三种根系。通过聚类分析分别比较四种根系在均匀低硝酸盐和局部高硝酸盐下的基因表达趋势,发现30-.40%的基因在主根、种子根及第一轮节根根尖中柱鞘细胞中稳定表达而在第七轮节根根尖中柱鞘细胞中显著上调表达。进一步分析四种根系根尖的中柱鞘细胞对局部高浓度硝酸盐供应在转录水平的响应,在第七轮节根中发现3,046个硝酸盐响应基因,种子根中发现589个,第一轮节根中发现11个而主根中没有发现硝酸盐响应基因。(5)用1959年以后国际上发表的106篇田间实验结果,针对国内外玉米根系生物量、根冠比及氮肥利用效率的关系进行数据分析,发现我国栽培玉米的根重小,根冠比低,而且与环境因子(气候地理因素,胁迫条件)无关。发现玉米根冠比与氮肥利用率呈显著正相关。通过2年田间实验验证,进一步证明了玉米根系大小、根冠比及根系空间分布对氮肥利用效率有明显影响。以上结果从形态、生理、组织学及组织化学角度,系统研究了玉米不同种类根系响应局部高浓度硝酸盐诱导后侧根起始的差异,揭示了吐丝期节根上侧根密度增加的特异性反应。利用RNA-Seq技术并结合基因动态表达分析等现代分子生物学技术,发现玉米吐丝期节根上侧根发育响应局部高浓度硝酸盐诱导的生长素运输及细胞循环调节机制。利用优化的LCM-RNA-Seq技术,结合生物信息学手段在细胞水平研究了不同种类根系侧根发生机制的差异。通过对已发表数据整合分析及田间实验验证,证明了玉米根系生长及空间分布在提高氮肥利用效率方面的生物学潜力。