一场大雨过后，田里的黄瓜苗蔫了——叶片发黄、茎秆发软，整株植物看起来奄奄一息。这不是个例，而是黄瓜种植户年年都要面对的难题。

黄瓜是我国设施栽培面积最大的蔬菜作物之一。我国种植面积占全球50%以上，但它的根系天生"浅薄"，再加上地上部分蒸腾旺盛，虽然需要频繁浇水，却极不耐涝。一旦遭遇积水，根系被淹没后无法呼吸，有毒代谢物在体内堆积，轻则减产，重则死苗。尤其在气候变化加剧、极端降雨频发的当下，涝害对黄瓜生产的威胁日益突出。面对水涝，植物并非完全束手无策。许多作物会启动一项"自救计划"——从茎或下胚轴部位长出不定根。这些不定根位于水面以上，能替代被水浸泡受损的主根，帮助植物重新获取水分和养分，同时改善内部通气。说白了，就是植物给自己"另起炉灶"，再长一套备用根系来渡过难关。但黄瓜的不定根形成能力偏弱，这也是它对涝害格外敏感的原因之一。那么，到底是什么在"压制"黄瓜长出不定根？能不能找到这个"刹车"，把它松开，让黄瓜在涝灾中也能自救？

中国农业大学任华中教授和刘兴旺副教授团队发表在PLANT CELL&ENVIROMENT的最新研究，给出了一个令人振奋的答案。

从77个基因里"捞"出9个候选者

研究团队首先对黄瓜基因组中所有的小GTP酶基因进行了系统鉴定，共找到77个成员，涵盖Rab、Rop、Ran和Arf四大亚家族。其中，Rop亚家族是植物特有的，与细胞极性、形态建成密切相关——简单理解，这类蛋白就像是细胞里的"信号开关"，在GTP结合态（开）和GDP结合态（关）之间来回切换，精准调控各种生物学过程。通过进化分析，研究人员确认黄瓜中共有9个CsROP成员。与拟南芥（双子叶模式植物）相比，黄瓜的ROP基因家族表现出较高的保守性；而与水稻（单子叶模式植物）之间则差异明显。基因结构分析显示，大多数CsROP基因含有较长的非翻译区（UTR），提示它们可能受到复杂的转录后调控。蛋白结构域分析进一步揭示，所有CsROP蛋白都保留了经典的G-box基序和Rop-like结构域，说明尽管经历了物种分化，这些蛋白的核心功能依然被严格保守了下来。

锁定"嫌疑基因"CsROP2

找到基因家族只是第一步，真正的挑战在于：哪个CsROP基因与涝害响应关系最密切？研究人员对9个CsROP基因的启动子区域进行了顺式作用元件分析，发现了大量激素响应元件和逆境响应元件，暗示这些基因可能在激素信号和胁迫适应中发挥重要作用。进一步，通过将已发表的黄瓜涝害转录组数据与CsROP基因进行交叉比对，结果指向了一个明确的靶标——CsROP2。它是唯一一个同时出现在涝害响应基因集和ROP基因家族中的成员。表达模式分析进一步印证了这个选择：CsROP2在黄瓜下胚轴和根系中表达量最高，而在涝害条件下，其表达水平会随处理时间延长而显著下降。这种"涝了就降"的表达模式，让人不禁怀疑：CsROP2是不是正是那个在不定根形成过程中"踩刹车"的角色？

沉默CsROP2，不定根变多了

为了验证这一猜测，研究人员利用烟草环斑病毒（TRSV）介导的基因沉默技术（VIGS），在黄瓜中瞬时敲低了CsROP2的表达。结果令人兴奋：CsROP2沉默的植株，下胚轴上的不定根数量显著增加，而在正常条件下，地上部分的鲜重并无明显变化——说明CsROP2对不定根的抑制作用具有特异性，并不影响植物的一般生长。更关键的是，在模拟涝害条件下（停止水培通气），CsROP2沉默植株产生了更多的不定根，地上部鲜重也明显高于对照组。这表明，降低CsROP2的表达不仅促进不定根发生，还能切实提升黄瓜在涝害中的生存表现。

CRISPR基因编辑"实锤"：CsROP2是不定根形成的"刹车"

VIGS的结果还需要稳定遗传的证据来"盖章"。研究团队利用CRISPR-Cas9技术，创制了两个CsROP2的纯合敲除突变体csrop2-cr1和csrop2-cr2。两个突变体分别携带不同位点的移码突变，导致蛋白质提前终止，功能完全丧失。在一叶一心期的表型观察中，两个突变体的下胚轴不定根数量都显著多于野生型。石蜡切片观察清晰地展示了不定根发育的四个经典阶段：(1)形成层细胞激活;(2)细胞分裂形成根原基; (3)根顶端分生组织建立; (4)不定根突破表皮成熟。这不仅证实了CsROP2对不定根发生的抑制功能，也揭示了不定根确实起始于形成层细胞。

涝害之下，突变体表现出明显优势

在10天的涝害处理实验中，csrop2突变体的优势体现得淋漓尽致：整株鲜重更高，下胚轴和不定根的鲜重显著增加，子叶以上部位的鲜重也明显优于野生型。从叶片指标来看，突变体维持了更高的叶绿素含量和相对含水量，叶面积指数更大，萎蔫和黄化程度显著轻于野生型。综合来看，突变体的涝害耐受性评分（WLS）显著优于对照。这些数据说明，敲除CsROP2带来的好处是"双重的"：一方面促进了不定根的形成，另一方面通过这种形态学改变提升了整体的生理表现。

上游"推手"CsTBH浮出水面

CsROP2是谁在调控？研究人员以CsROP2的启动子为诱饵，通过酵母单杂交筛选黄瓜下胚轴cDNA文库，经过层层筛选，将目标锁定在一个HD-Zip I类转录因子——CsTBH身上。CsTBH此前已被该课题组报道参与过黄瓜表皮毛发育的调控，但它是否也参与不定根形成，此前完全未知。研究人员在CsROP2启动子上发现了三个推定的CsTBH结合位点，并通过酵母单杂交、凝胶迁移实验（EMSA）和双荧光素酶报告系统，逐一证实CsTBH能直接结合CsROP2启动子上的P1元件并激活其转录。CsTBH的敲除突变体cstbh同样表现出不定根增多和耐涝性增强的表型，与csrop2突变体高度相似。这说明CsTBH和CsROP2构成了一个上下游调控模块：CsTBH激活CsROP2的表达，而CsROP2则抑制不定根的形成、降低耐涝性。

生长素——连接发育与胁迫的关键枢纽

不定根的形成离不开生长素的精准调控。转录组分析显示，在csrop2突变体中，大量生长素相关基因（包括YUC、SAUR、AUX/IAA和PIN家族成员）显著上调。免疫定位和IAA含量测定进一步揭示，突变体下胚轴维管束区域的生长素浓度明显升高，且在涝害条件下这一效应更加显著。生长素的不均匀分布是根原基起始的关键位置信号。csrop2和cstbh突变体中生长素的增强积累，很可能为不定根原基的启动提供了更强的位置线索。此外，外源施加生长素极性运输抑制剂NPA后，不定根形成被显著抑制，进一步证明突变体的增强不定根表型依赖于活跃的生长素运输。

综合来看，研究团队提出了一个清晰的调控模型：CsTBH直接激活CsROP2的表达，CsROP2通过调控生长素的积累和运输来抑制不定根的形成；当CsTBH或CsROP2的功能丧失时，生长素在维管束区域积累增多，促进不定根原基的起始和发育，最终增强黄瓜的耐涝性。

从"知道有基因"到"知道怎么用"

这项研究的意义不止于揭示了一个新的调控通路。

在理论层面，它填补了ROP GTPase在双子叶作物中参与涝害响应的功能空白，揭示了发育程序与胁迫信号之间"交叉对话"的一个新节点。过去人们知道ROP蛋白参与拟南芥的根毛发育、花粉管生长等过程，但对它们在非模式作物、尤其是在胁迫诱导的器官发生中扮演什么角色，知之甚少。这项研究给出了一个具体的答案：CsROP2是一个负调控不定根发育的关键因子。

在应用层面，CsROP2及其上游调控因子CsTBH为培育耐涝黄瓜新品种提供了明确的遗传靶点。通过基因编辑技术对这些基因进行精准改良，有望获得在涝害条件下能高效形成不定根、保持良好生长状态的品种。共线性分析还显示，CsROP2在南瓜和甜瓜中高度保守，这意味着这一调控机制可能在葫芦科作物中具有普适性，为更广泛的作物耐涝改良提供了参考。

当然，研究团队也在论文中坦诚地指出，目前的表型分析主要集中在苗期，突变体在排水后的长期恢复能力、田间条件下的产量表现等，还需要后续的系统评估。但这些前期工作已经搭建起了一个扎实的框架。

研究团队介绍

中国农业大学深圳前沿技术研究院/园艺学院孙蕾博士后为第一作者，任华中教授和刘兴旺副教授为共同通讯作者。中国农业大学/中国农业大学三亚研究院何绍贞教授给予了重要指导，山东农业大学李向东教授提供了重要载体。本研究得到国家重点研发计划项目（2023YFD2300700）、中国博士后科学基金（2025M783757）、中国农业大学2115人才发展计划和111引智计划的资助。

刘兴旺/任华中课题组长期从事黄瓜遗传改良与分子调控研究，已在Plant Cell、Plant Biotechnology Journal、Plant Communications、Plant Physiology、Plant Journal、Plant Cell & Enviroment等国际主流学术期刊发表论文60余篇。

供图、供稿：任华中/刘兴旺课题组

编辑：张月夕 蒋晓彤

审核：付国强