旱地作物生产对我国的粮食安全有着关键性的作用。但是,到目前为止旱地作物一直面临着水资源匮乏和氮素利用低的双重困境,这对我国的粮食生产带来了一定的压力和挑战。根系作为水分养分的主要吸收器官,在旱地作物生产中起着重要作用。但是由于缺乏直接有效且省力的土壤根系研究方法,以往有关旱地作物产量提高的研究都集中于地上部相关性状的选择,与根系相关的性状及其功能的研究在很大程度上被忽视了。一般认为庞大根系是作物抗旱的重要性状,然而,根系大小对产量、水分和氮素的吸收与利用之间存在何种关系仍然是未知的。大根系是否是提高产量和水氮吸收效率重要性状有待进一步研究。本研究选用玉米和小麦作为试验材料,采用盆栽和水培试验结合的方法探究了根系大小对水氮吸收以及产量的影响,并对引起水氮吸收差异性的作用机理以及通过人为方式降低根系大小(根系修剪)对作物根系水分吸收的调控机制进行探究。主要结果如下:(1)无论是小麦还是玉米,小根系植株的根系导水率明显高于大根系植株,其叶水势不低于大根系植株,说明小根系可以通过提高根系导水率来提高植株的水分吸收能力,从而满足地上部对水分的需求。小根系植株的产量在两种水分条件下都高于或者相似于大根系植株的产量,说明其较高的水分吸收效率可以满足产量的需求。小根系植株可以通过调控根系导水率以及降低蒸腾来维持体内的水分平衡,并(2)提高其水分利用效率。在育种和旱地作物高产栽培中对根系性状进行选择时不应该只局限于过大的根系,Colforsin适当的根冠比才是抗旱育种和作物高效栽培追求的方向。(2)小根系植株的叶水势,叶片渗透势和根系木质部渗透势都不低于大根系植株,说明小根系植株可以转移足够的水分供地上部使用,其结果和盆栽试验具有一致性。小根系植株通过调控其水通道蛋白活性的表达以及对根系活力的激发提高了根系导水率,补偿了根系减少的影响,从而提高了其水分吸收能力,使其能够维持自身的selleck化学水分吸收和叶片水分散失之间的动态平衡。(3)正常水分下,根系修剪后48小时,修剪植株的根系导水率较未修剪植株提高了26.2%,且修剪植株叶水势与未修剪植株没有明显差异,说明修剪后植株重新建立了新的水分平衡。而PEG胁迫因增加了根系修剪对渗透胁迫的敏感性在短时间内降低了剩余根系的导水率。根系修剪通过上调Zm PIP1;1、Zm PIP1;5、Zm PIP2:2和Zm PIP2;5的相对表达水平以及调控脱落酸和茉莉酸的信号,提高了剩余根系的导水能力。修剪后根系生长素和水杨酸含量的增加激发了根系的补偿生长以及侧根生长。(4)干旱胁迫下,小根系品种长旱58(CH)的产量在N0(未添加氮)、N1(中氮)和N2(高氮)下分别较大根品种长武134(CW)高18.04%、20.77%和15.72%;氮素利用效率分别较CW高9.12%,13.93%和8.32%,说明CH较CW在干旱下能更有效地将氮素分配到地上部,从而在水分亏缺土壤中保持较高的氮吸收能力。CH的单位根系的氮素吸收量显著高于CW,从而提高了其自身的氮素吸收能力,弥补了自身根系的减少对氮素捕获的不足。(5)水培试验表明CH的单位根系的氮素吸收量在N1(低氮)、N2(中氮)和N3(高氮)下分别较CW高47.15%、43.23%和36.87%,其增量弥补了根量的下降对于氮素捕获的不足,从而提高了其整株的氮素吸收。且CH在低氮条件下的吸收速率显著高于CW,说明CH在低氮条件下较CW有较好的氮素吸收可塑性。CH较高的单位根系的氮素吸收量源于其对根叶中的硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性以及氮转运蛋白(Ta NRT1;1,Ta NRT1;2,Ta NRT2;1和Ta AMT2;1)的相对表达水平的调控,使其具有较高的氮素亲和力和氮素吸收潜力。本研究对筛选氮素高效吸收probiotic persistence的根系性状具有重要的参考价值。