氮是植物的三大营养元素之一,直接影响到作物产量和蛋白质含量,对植物的生长发育具有重要的作用。氮含量过高或过低都会影响植物的生长。而缺氮会破坏植物重要的生物学过程,如氮代谢和光合作用等过程。植物根系是吸收氮素以及感受环境氮素变化最主要、直接的器官,因此植物根系结构和生长发育可能会影响植物对氮的吸收,对控制根生长有关基因的鉴定与分子调控网络的解析将有利于氮效利用效率的研究。本研究中,在低氮(0.04mM)和正常氮(4mM)条件下对玉米突变体rtcs和野生型B73在处理12h、24h、48h、96h后进行总蛋白含量、谷氨酰胺合成酶活力和叶绿素含量的测定。在此基础上,利用RNA-seq技术对上述四个时间点的玉米根系进行了比较转录组分析,以比较野生型和突变体在正常氮水平和低氮胁迫下玉米根系的基因表达谱差异。获得的主要研究结果如下：1.在出芽后8天左右野生型和突变体根系呈现出明显的形态差异,野生型有初生根和种子根,而突变体rtcs没有种子根只有初生根,与前人观察的rtcs突变体表型一致。而突变体和野生型均在低氮比正常氮条件下主根根长更长,侧根根数更多；低氮和正常氮条件下均是突变体比野生型主根根长更长,侧根根数更多；且都随着时间点增加差距越来越大。突变体和野生型在低氮条件下总蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活力均低于正常氮条件；而突变体中总蛋白含量和谷氨酰胺合成酶活力在正常氮和低氮条件下均低于野生型。在两个氮水平下,随着时间增加野生型和突变体叶绿素总含量和叶绿素a含量均呈现逐渐增加的趋势,且差异较大,而叶绿素b含量差异不大,说明两个材料叶绿素总含量的差异主要由叶绿素a含量的差异引起；低氮胁迫下幼苗叶片叶绿素含量相较于正常氮条件下均下降,且低氮胁迫对突变体的叶绿素含量的影响比对野生型的影响更大。2.突变体和野生型幼苗根系RNA-seq结果显示,32个样品获得32-46M clean reads,有78.82%-85.57%的reads可以映射到玉米B73参考基因组序列上,共注释到27921-28547个已知的蛋白编码基因,其中有25285个基因在所有的实验时间点和实验条件都有表达。为探究根系发育相关调控机制,本研究在正常氮条件下比较野生型和突变体的转录组,共鉴定出7418个差异表达基因,其中仅有10.5%(786个基因)的DEGs在四个时间点中均呈现差异表达,功能注释分析发现这些co-modulated DEGs主要涉及79条生物学通路,包括植物信号转导、苯丙素生物合成、苯丙氨酸代谢、谷胱甘肽代谢、植物与病原菌相互作用、淀粉和蔗糖代谢等生物学过程。GeneOntology功能显著性富集分析发现这些差异基因显著富集在29个GO条目中,包含生物学调控,初级代谢过程调控、转录调控、基因表达调控、非生物胁迫响应等。K-means聚类分析结果显示co-modulated DEGs聚为8个类群。3.为探究玉米根系低氮胁迫响应基因表达调控机制,本研究比较野生型和突变体在正常氮及低氮胁迫下基因表达差,在野生型及突变体比较组中分别检测到了7977及7762个低氮胁迫相关的差异表达基因。野生型在低氮胁迫下有593个基因在四个时间点均显示差异表达,其中有194个差异基因上调表达,399个差异基因下调表达。突变体在低氮胁迫下有804个基因在四个时间点均显示差异表达,其中有543个差异基因上调表达,有261个差异基因下调表达。有403个co-modulated DEGs在两个材料中共同参与了低氮胁迫响应。这些co-modulated DEGs被注释到90个生物学过程、72个分子功能和23类细胞组分中。用KOBAS进行富集分析,确定了两条差异基因主要富集的通路：甘油酯代谢和半乳糖代谢。另外分别有7和5个co-modulated DEGs注释到苯丙生物合成和苯丙氨酸代谢通路的。4.在四个时间点中,分析由低氮胁迫引起的基因型特异转录水平的改变,结果显示在野生型和突变体中分别有190和401个基因型特异差异表达基因。野生型大量的基因型特异性DEGs存在冷胁迫响应、非生物胁迫响应、多细胞生物体内平衡、铜离子结合、生物质量调节和多细胞生物过程GO条目中；突变体的许多特异DEGs被归类到细胞组份的子类别(膜,细胞,胞外结构和泛素连接酶复合物)中。