氮（N）是限制植物生长的主要元素之一,直接影响作物产量和品质。在生产中,受施肥方式、根系吸收或雨水淋洗等因素影响,土壤中的氮肥分布与作物的根系分布通常具有空间差异性。在这样的土壤环境中,根系趋向氮充足区域生长的形态结构可塑性是提高植株对N获取和利用效率的主要机制,受到根系局部信号和地上部长距离信号共同调控。深入研究玉米根系响应低氮的形态结构可塑性,鉴定和区分根系中响应N局部信号和长距离信号的基因,分析其中的信号通路和生物学过程,将有助于解析玉米N吸收利用与信号调控的分子机制,进而为提高玉米的氮肥利用效率提供新的思路。本研究首先以高氮（4 mM）为对照,研究了玉米苗期3类不同类型根系在N胁迫（0.5 mM/0 mM）下的形态差异和基因表达差异。进一步利用分根实验,通过4种不同浓度硝酸盐组合对玉米植株两侧根系进行处理,鉴定了根系形态变化,并利用RNA-seq技术对4种处理的根系进行了比较转录组分析,鉴定了根系中受N长距离信号调控的靶基因。主要研究结果如下:（1）玉米苗期不同根系对低氮胁迫的形态学响应不同。总体上根长减小且根系变细;地上部干重降低,根冠比增加;轴根增长、侧根变短;不同类型根系响应低氮差异明显,初生根（PR）和冠根（CR）的总根长、侧根长、表面积和体积、及干重均减小,且PR表现更显著,种子根（SR）的生长发育有所增强;3类根系的侧根空间分布差异十分明显,低氮下相同区段的侧根数量在SR和CR中增加,PR中基本不变。（2）3类根系具有不同的基因表达模式。RNA-seq分析揭示了胚根系PR和SR间的基因表达模式相似,而胚根系与胚后根系CR差别较大,突出了CR发育的特异性。在高氮和缺氮条件下分别检测到1445和1978个根系间差异表达基因,功能主要涉及解剖结构发育、次级代谢过程、转录因子活性、氧化还原酶活性等。根系发育相关的基因或转录因子如RTCS、LBD、WRKY、G2-like、bHLH、AP2-ERBP和WYB在3类根系间呈动态表达模式。（3）玉米苗期不同根系对低氮胁迫的转录组学响应不同。研究在PR、SR和CR响应缺氮胁迫中分别鉴定到2555、1896和1781个差异表达基因,其中1126个为共有DEGs。各类N响应相关基因在根系间和两种处理下呈动态表达,一些基因如NRT1.1B、NRT2.5、NRT2.7、NAC4、CKX6、AP2-EREBP181等在3类根系响应缺氮胁迫中表达趋势一致,而另一些基因如AP2-EREBP205、AP2-EREBP54、NAC122、NAC60、NLP7、ZNF2在不同根系缺氮响应中变化趋势不同,具有根型特异性。（4）玉米根系具有趋向N生长的形态可塑性。异质硝酸盐供应调控根系发育,高氮侧根系生长受另一侧低氮供应的影响而得到显著的补偿性促进,而低氮侧根系受另一侧高氮供应的影响没有前者显著,根系对低氮环境诱导的“N需求”信号更敏感。（5）玉米不同根系对-N长距离信号的响应不同。利用RNA-seq对均高氮与局部高氮的根系进行转录组比较研究,在PR、SR和CR中分别鉴定到707、1208和24133个响应“N需求”长距离信号的基因,其中344个为3类根系共有,其功能主要涉及生物过程调控、核酸转录调控和离子结合等。这些基因包括b HLH99、ERF-like、CIPK-like、NAC2、LOB42等与N响应相关的基因家族成员,与它们表达趋势一致的基因还有Zm00001d040682、Zm00001d006170、Zm00001d009160、Zm00001d002161等。它们是“N需求”长距离信号靶基因的有力候选者。（6）玉米不同根系对+N长距离信号的响应不同。对均缺氮与局部缺氮的根系转录组进行比较,在PR、SR和CR中分别鉴定到1169、1259和838个响应“N供应”长距离信号的基因,其中357个为3类根系共有,其功能主要涉及类黄酮代谢过程、氧化还原过程、核酸结合转录因子活性等。这些基因包括NRT2.7、GRX、MYB、bZIP、AP2-EREBP等与N响应相关的基因家族成员,与它们表达趋势一致的基因还有Zm00001d038352、Zm00001d039648、Zm00001d052673、Zm00001d012394等。它们是“N供应”长距离信号靶基因的候选者。综上所述,玉米不同根系具有不同的基因表达模式,对低氮和N长距离信号的响应也不同,这为深入理解根系对环境响应提供了对单一根类型研究的新视角,长距离信号靶基因的鉴定促进了对玉米N响应的信号调控分子机制的理解,进而为提高玉米N利用效率提供了新思路。