玉米根系生物量分布变异在干旱胁迫下对气候变化适应的贡献机制研究

《Plant and Soil》：Variability in maize root biomass distribution under drought can contribute to climate change adaptation

本研究针对气候变化下干旱胁迫对玉米生产的威胁，通过多站点田间试验系统量化了不同水分条件下10个玉米品种的根系生物量分布特征。研究发现干旱胁迫促使玉米将25%更多根系生物量分配至亚表层土壤(30-100 cm)，且根系生物量与产量呈品种特异性响应，为通过育种优化根系构型实现气候变化适应及土壤碳固存提供了理论依据。

　　

随着气候变化导致的极端天气事件频发，欧洲农业正面临严峻挑战。2003年、2018-2019年和2022年的连续热浪使作物减产风险显著增加，其中作为欧洲第二大作物的玉米尤其容易受到干旱胁迫的影响。预计到2050年，玉米籽粒灌浆期遭遇严重水分亏缺的概率将增加25%，北中欧和南欧地区的产量分别可能下降15%和28%。在这种背景下，如何通过作物适应性改良来维持农业生产力已成为现代农业的核心课题。

根系作为植物与土壤环境互作的关键界面，在水分养分吸收和土壤有机碳（SOC）固存中扮演着双重角色。然而，由于根系表型检测技术的限制，特别是成熟期根系性状数据的缺乏，目前对不同玉米品种根系响应干旱的机制认识不足。此外，土壤碳模型中使用的地上-地下生物量分配函数主要基于产量数据推算，其准确性受到越来越多研究的质疑。正是为了填补这些知识空白，由德国布伦瑞克工业大学Henrike Heinemann领导的研究团队在《Plant and Soil》上发表了这项跨学科研究。

研究人员在法国四个试验点（Ouzouer-Le-Marché、Le Magneraud、Pusignan和Mauguio）构建了包含10个商业玉米杂交种（FAO 280-480成熟度组）的多站点田间试验平台。每个试验点设置充分灌溉（WW）和水分亏缺（WD）两种处理，采用随机区组或裂区设计。通过土壤张力计监测30和60厘米深度的土壤水势（SWP），并以-864.5 hPa作为水分胁迫临界值计算胁迫天数。在收获后，结合挖掘法（0-30厘米）和土钻法（0-100厘米）采集根系样品，使用液压涡旋分离系统和自动洗根仪提取根系，测定生物量、深度分布、根长和直径等性状。同时测定籽粒产量，并基于收获指数（HI=0.5）估算地上部生物量，计算根冠比（R:S）。

研究结果显示，玉米0-100厘米土层平均根系生物量为3.2±1.2 Mg ha^-1，其中90.1%集中在0-15厘米表层。水分胁迫显著改变了根系分布模式：WW条件下表层土壤（0-30厘米）根系生物量比WD条件高29%，而亚表层（30-100厘米）则呈现相反趋势，WD条件下根系生物量增加25%。

进一步分析表明，亚表层根系生物量与水分胁迫天数呈显著正相关，凸显了深层根系在干旱适应中的重要作用。

品种间变异分析揭示了显著的基因型差异。在WW条件下，品种间根系生物量差异达59-71%，WD条件下扩大至63-72%。特别是品种ARV52在WD条件下根系生物量逆势增加4%，而其他品种平均下降27%。

产量方面，WD条件使平均产量降低32%，但品种间变异系数从WW条件的11%升至WD条件的34%，表明遗传背景对干旱响应的显著影响。

根系构型特征显示，WD条件下根系趋向细长化，平均直径减小而总根长增加。土壤质地也显著影响根系性状，粉粒含量与根系生物量正相关，砂粒含量则呈负相关。值得注意的是，根系生物量与产量关系复杂，在部分试验点（如Ouzouer）呈现显著负相关，暗示着碳分配在生殖生长和根系建造间的权衡。

讨论部分深入剖析了干旱胁迫下根系动态的生态意义。亚表层根系的增强有助于植物在干旱期从深层土壤获取水分，同时为亚表层土壤碳固存提供重要来源——约20%的农业管理对SOC的影响发生在亚表层。研究还质疑了当前碳模型依赖的产量依赖性分配函数的适用性，因为研究发现根系生物量与产量响应模式存在解耦现象，建议发展基于根系性状的直接估算方法。

该研究通过多尺度根系表型分析，揭示了玉米根系对干旱胁迫的可塑性响应及其在气候适应和碳固存中的双重价值。研究结果为育种项目筛选具有优化根系构型的品种提供了科学依据，为构建抗旱、高产且有利于土壤健康的农业系统提供了新思路。随着气候变化压力的加剧，这种基于根系功能性状的作物改良策略将在保障粮食安全与推动农业可持续发展中发挥越来越重要的作用。