基于品种特异性SNP标记的大麦混种根系生物量定量方法揭示地下生态位互补潜力

《Plant Methods》：Quantification of root biomass in barley variety mixtures using variety-specific genetic markers

本研究针对混作品种系统中根系区分技术缺失的问题，开发了利用品种特异性SNP标记和qPCR技术定量大麦根系生物量的新方法。通过瑞典和丹麦的田间试验，成功实现了混作条件下不同品种根系的空间分布量化，为解析作物地下互作机制提供了关键技术支撑。该方法对推动可持续农业发展具有重要意义。

　　

在全球气候变化背景下，提高作物对土壤水分和养分的捕获能力已成为增强农业生产系统韧性的关键挑战。多作物混作系统通过不同作物根系的互补分布能够改善土壤勘探效率，但实际应用却受到气候条件、生长季节长度以及机械化作业要求等多重限制。品种混作（Variety mixture）作为替代方案，将同一物种不同根系特性的品种组合种植，既能保持农事操作的一致性，又可能通过地下生态位互补提升资源利用效率。然而，由于缺乏有效区分不同品种根系的方法，人们对混作品种系统地下过程的认知始终存在空白。

近期发表于《Plant Methods》的研究通过创新性地运用品种特异性SNP（单核苷酸多态性）标记和实时定量PCR（qPCR）技术，建立了大麦混作品种根系生物量的定量方法。该研究在瑞典乌普萨拉和丹麦陶斯特鲁普两地开展田间试验，以Feedway和Anneli两个大麦品种为材料，设置纯作和混作处理，成功实现了不同品种根系在0-60厘米土层中的精准区分和定量分析。

研究采用的关键技术包括：基于Illumina Infinium 15K SNP芯片筛选品种特异性标记，设计3'端位于SNP位点的特异性引物；通过质粒标准曲线和土壤-根系混合生物标准曲线建立基因拷贝数与根系生物量的转换关系；利用自动化qPCR系统进行高通量检测。方法验证显示引物具有高度品种特异性，在纯作样品中几乎无交叉扩增。

根系生物量在纯作中的分布

研究表明，两个品种在纯作条件下均表现出随土壤深度增加而根系生物量减少的趋势，但具体分布模式存在品种和地点差异。在0-20厘米表层土壤中，Feedway在两个地点的根系生物量相近，而Anneli在陶斯特鲁普的根系生物量显著高于乌普萨拉。在20-40厘米土层，乌普萨拉地区两个品种的根系生物量与表层相当，而陶斯特鲁普地区则出现明显下降。两地40-60厘米土层的根系生物量趋于一致。总根系生物量分析显示，陶斯特鲁普的Anneli纯作处理生物量最高（1006克/平方米），显著高于其他处理。

Feedway和Anneli在品种混作中对根系生物量的相对贡献

利用品种特异性引物，研究成功量化了混作系统中各品种的根系分布。在乌普萨拉，两个品种在0-20厘米和20-40厘米土层的贡献比例相近；而在陶斯特鲁普，Anneli在0-20厘米土层的根系生物量是Feedway的四倍以上。混作系统的总根系生物量也表现出地点差异，陶斯特鲁普混作处理的总生物量（1248克/平方米）几乎是乌普萨拉（658克/平方米）的两倍，表明环境条件对混作系统的根系发育具有重要影响。

根系深度

以75%根系生物量分布深度（D₇₅）为指标的分析显示，地点对根系分布深度有显著影响（p=0.008），而品种和管理方式（纯作vs混作）及其交互作用均未达到显著水平。最明显的差异出现在混作中的Anneli，其在乌普萨拉的D₇₅为23.1厘米，而在陶斯特鲁普仅为8.9厘米，表明土壤环境对根系分布特征具有决定性影响。

研究讨论指出，SNP标记技术的应用突破了传统根系研究方法的局限，首次实现了混作品种系统下不同品种根系的空间分布量化。尽管方法可能存在根系生物量高估（与根系DNA浓度随年龄变化以及脱落根冠细胞检测有关），但为理解作物地下互作提供了全新视角。地点特异性根系分布模式表明，环境条件通过影响品种间竞争关系最终决定混作系统的地下生态位互补效应。

该研究建立的方法为解析混作品种系统的地下功能机制提供了关键技术工具，对未来设计优化可持续作物生产系统具有重要指导意义。作者建议后续研究应在更多环境和季节条件下验证方法的稳健性，并探索其在多品种混作及其他作物中的应用潜力。