现代育种系与多种种质资源来源的大豆根系可塑性差异

《Crop Science》：Divergence of root system plasticity in soybean between modern breeding lines and diverse germplasm accessions

大豆根系系统架构（RSA）的遗传多样性、表型可塑性与环境互作关系研究。比较了8份精英育种线和16份USDA多样性材料在三种生长期和两种土壤（砂壤与粘壤）下的根系性状，发现多样性材料根系更小但环境响应塑性更强（如最大根直径在砂壤中增加9.52%），而育种线根系较大但塑性较低。3D成像技术验证了传统2D方法的局限性，最大根直径和侧枝长度遗传率较高（H2=0.37,0.22）。表明间接选择可能限制了根系遗传潜力的挖掘，而种质资源提供了环境适应的遗传基础。

　　根系是植物生存和生长过程中不可或缺的部分，其主要功能包括固定植株、吸收水分和养分，以及与土壤微生物建立共生关系。在农业领域，尤其是对于作物品种的改良，根系结构（根系构型，RSA）的改变往往并非直接针对根系特性进行选择，而是通过间接手段，如对地上部分的产量或其他性状的选育来实现。然而，对于大豆（*Glycine max* (L.) Merr.）这一全球重要的植物蛋白来源，关于现代育种对根系的影响仍存在争议。一些研究表明，根系尺寸和密度可能有所下降，而另一些研究则发现根系在某些条件下反而有所增强。因此，有必要对现代育种品种与多样化基因型之间的根系构型差异进行系统比较。

本研究选取了8个精英育种品种（BL）与16个来自美国农业部大豆种质资源库的多样化基因型（DL），在三种不同的发育阶段和两种不同的土壤环境中进行了对比分析。通过2D图像分析，提取了12种根系结构特征，并结合3D建模技术对部分样本进行了更精确的测量。研究结果表明，多样化基因型总体上具有较小的根系，但在面对土壤环境变化时表现出更高的表型可塑性。在粘土壤土中，根系长度、根系生物量、根系体积、根系扩展范围和平均根系直径均有所下降，分别减少了14.2%、18%、22.9%、22.7%和7.6%。这些变化可能与土壤结构的差异有关，例如粘土壤土的结构更紧密，导致根系生长受限，而砂壤土则提供了更宽松的生长环境，有利于根系扩展。

在分析根系性状的遗传力时，研究发现这些性状的遗传力普遍较低，但在早期发育阶段遗传力较高，随着植物生长，遗传力逐渐下降。其中，最大主根直径（广义遗传力 *H2* = 0.37，狭义遗传力 *h2* = 0.21）和最大侧根长度（*H2* = 0.22，*h2* = 0.13）的遗传力相对较高，这表明这些性状在一定程度上受遗传因素影响较大。然而，大多数根系性状表现出较强的表型可塑性，可能受到环境条件的显著影响。此外，研究还发现，地上部分和地下部分的性状可塑性之间可能存在权衡关系，即在某些条件下，提高某一性状的可塑性可能会降低另一性状的稳定性。

为了更全面地了解根系性状的分布特征，研究团队测试了一种新的3D建模方法，该方法基于摄影测量技术生成点云数据，从而实现对根系结构的更精确建模。该方法在一定程度上弥补了传统2D图像分析的不足，特别是在需要对根系进行多点测量的性状（如最大主根直径和最大侧根长度）上，3D方法能够提供更全面的数据，减少人为选择可能带来的偏差。例如，2D分析通常依赖于研究人员手动选择“随机”分支进行测量，而3D方法则可以捕捉到根系结构中更广泛的分布，包括较短的分支和更细微的结构变化。尽管3D方法在某些复杂性状的测量上表现更优，但其应用仍面临技术成本和可操作性的挑战。因此，开发更低成本、更便携的3D根系建模工具，将是未来研究的一个重要方向。

本研究还探讨了根系性状与地上部分性状之间的关系。在早期发育阶段，根系性状与地上部分生物量表现出较强的负相关，而在中期发育阶段，两者之间的关系有所转变，甚至出现了正相关。这种变化可能与植物从营养生长向生殖生长的过渡有关，此时植物会调整资源分配策略，以适应环境变化。此外，根系性状与地上部分性状之间的权衡关系可能反映了植物在不同环境条件下的适应性策略，即在某些情况下，植物可能更倾向于增强根系的可塑性，而在其他情况下，更倾向于优化地上部分的生长表现。

研究结果表明，现代育种品种在根系构型方面表现出一定的趋势，即在某些性状上具有更大的根系体积和长度，但在面对土壤环境变化时，其适应能力相对较弱。相比之下，多样化基因型则表现出更强的适应性，这可能与其遗传多样性有关。因此，在未来的作物改良过程中，有必要结合多样化种质资源与现代育种技术，以提高作物在不同环境下的适应能力。同时，根系性状的低遗传力也提示，在育种过程中，环境因素对根系表现的影响可能比遗传因素更为显著，因此，根系性状的选育需要更多地考虑环境变化的影响。

此外，本研究的发现对农业实践具有重要意义。随着气候变化对土壤条件的影响日益加剧，作物需要具备更强的环境适应能力。因此，研究根系性状的可塑性及其与环境的相互作用，有助于开发更加耐逆境的作物品种。同时，利用先进的根系表型分析技术，如3D建模和高通量图像分析，可以更精确地评估根系结构，为作物改良提供更可靠的数据支持。这些技术的进一步发展和普及，将有助于实现更精准的根系性状选育，从而提升作物的资源利用效率和适应能力。

总体而言，本研究为理解大豆根系构型的遗传变异及其对环境变化的响应提供了重要的证据。通过比较现代育种品种与多样化基因型在不同土壤环境下的表现，研究揭示了育种过程中可能对根系性状产生的间接影响。同时，研究还指出，根系性状的可塑性可能在一定程度上补偿了其遗传力的不足，使得作物在面对环境变化时仍能保持一定的适应能力。未来的研究应进一步探索如何在育种过程中结合根系性状的直接选择，以提高作物的环境适应性，并推动农业可持续发展。