植物吸收水分和养分的能力主要取决于根系的结构和功能。与地上部分相比,根系性状与抗旱性更相关,是干旱条件下维持作物产量的关键因素。根的长度,表面积,体积,平均直径,侧根密度等根系性状被认为是提高干旱条件下植物生产力的关键性状。因此了解根系调控机制对于作物抗旱性的改良非常重要。除了采用基因工程方法,人们还采用其他各种策略提高植物的非生物抗性。已有研究表明褪黑素在控制根系生长发育中起着重要的调节作用,以及能够增强植物的抗逆性,但其具体表现及其潜在机制仍知之甚少。本论文首先使用两个玉米自交系(CIMBL55和SHEN5003)来研究根系表型和早期转录对干旱胁迫的响应。通过观测干旱胁迫条件下玉米幼苗期和营养期的存活率和光合效率,证明了CIMBL55和SHEN5003分别是干旱不敏感型和干旱敏感型品种。基于这两个品种根系的图像结果表明,CIMBL55的根系构型与SHEN5003明显不同,前者的根系长且粗壮以及侧根和种子根数目更多。进一步通过对PEG诱导处理条件下幼苗的主根和种子根的进行动态转录组分析,结合差异基因表达分析,结果表明CIMBL55的抗氧化防御相关基因的表达更强以及响应旱胁迫的基因比例更高。综合根系表型和转录组分析结果确定了玉米重要的根系结构和干旱胁迫响应基因网络。鉴于褪黑素能够促进植物根系发育和提高抗旱性,本文进一步研究了根灌褪黑素和种子浸泡褪黑素外源施加两种方法对于玉米B73根系发育和抗旱性的影响。采用水培根灌褪黑素的方式,对玉米幼苗的根系和生长状况进行分析,结果表明施加褪黑素的植株拥有更丰富的根系,根系长度,表面积,体积以及侧根数目等都高于未施加褪黑素的植株。采用盆栽浸种方式,对叶片相对含水量、光合作用、抗氧化酶活性、地上部分生物量等进行测定,结果表明在干旱胁迫条件下,褪黑素浸种的植株相比未施加褪黑素的植株生长状况更好,表现出更高的光合速率、气孔导度和蒸腾速率,更高的抗氧化酶活性以及更低的活性氧和丙二醛含量。综合根系表型和生理生化数据确定了褪黑素通过促进植物根系发育,减轻氧化损伤,缓解光合作用抑制,改善植物水分状况提高植物抗旱性。丰富发达的根系对提高作物品种的水分利用效率非常有用,能够提高植物抗旱性,褪黑素可以通过促进玉米的根系发育提高植物的抗旱性。以上研究结果一方面将为更好地理解与根系构型(Root system architecture,RSA)相关的玉米抗旱性提供有价值的资源,另一方面确定了褪黑素可作为种子预处理剂,显著提高作物幼苗期的抗旱性。