揭开玉米根的秘密：高通量表型揭示生长的遗传驱动因素

一个研究团队率先使用开源工具建立了自动化、高通量流程，以量化不同玉米基因型中的 50 多种根系性状，使研究人员能够研究遗传、激素和发育阶段如何影响根系生长。

　　

通过将基于图像的表型分析与基因表达分析相结合，该研究揭示了不同基因型的根形态和转录谱的显著差异。

玉米在确保全球粮食安全方面发挥着关键作用，但由于其根系位于地下，了解其生长所需的根系仍是一项挑战。传统的根系测定方法，例如根箱法和毛巾法，通常成本高昂且劳动密集，限制了其可扩展性。定量根系性状表型分析已成为了解植物如何吸收水分和养分的关键工具。玉米是一种全球重要的作物，具有高度可塑性和多样化的根系结构。随着气候变化带来的环境压力日益加剧，育种人员需要更快、更可扩展的方法将根系性状与遗传和分子谱关联起来。鉴于这些挑战，迫切需要创新、高效且自动化的根系表型分析方法来释放玉米等作物的遗传潜力。

爱荷华州立大学 Dior R. Kelley 团队于 2025 年 2 月 28 日在《植物表型学》 上发表的一项 研究（DOI：10.1016/j.plaphe.2025.100008）不仅加深了我们对玉米根系结构的了解，而且为旨在提高抗旱性、养分利用效率和作物恢复力的未来育种策略提供了宝贵的基础。 

为了研究不同基因型玉米根系发育情况，研究人员开发了一套高通量表型分析流程，集成了多种开源工具——用于图像分割的RootPainter、用于图像清理的ImageJ/Fiji以及用于性状提取的RhizoVision。研究人员共分析了来自22个田间玉米自交系的271张图像，发现了56个不同的根系性状。为了去除非根茎组织，研究人员采用了直径阈值处理，从而提高了根系特异性状定量的准确性。该流程揭示了不同基因型之间存在广泛的表型变异，其中W153R与参考基因型B73相比表现出最显著的性状。为了评估早期根系性状是否能够预测成熟根系结构，研究人员比较了15个基因型中10日龄幼苗的主根长度与成年根系性状；结果显示，只有5个基因型表现出弱至中等的相关性，这表明发育可塑性依赖于基因型。对11个自交系的转录组分析鉴定出数千个差异表达基因（DEG），其中大多数为特定基因型所特有。DEG间共享的基因本体论（GO）术语指出其在激素信号传导、应激反应和细胞壁组织中发挥作用，尤其是生长素代谢和β-1,3-葡聚糖途径。加权基因共表达网络分析（WGCNA）揭示了与特定基因型和性状密切相关的模块，包括富含与葡聚糖合酶复合物相关基因的“grey60”模块，以及参与代谢和应激途径的“cyan”模块。这些发现为理解根系形态的遗传调控以及在玉米育种项目中改良根系性状奠定了基础。

自动化表型分析流程为田间可扩展、可重复的根系分析打开了大门，使植物育种家和分子生物学家能够更有效地筛选出优良的根系性状。研究结果还表明，关注激素调控基因，例如与生长素信号传导和细胞壁重塑相关的基因，可以提供新的育种目标。该方法为整合组学数据、提高抗旱能力以及优化玉米和其他作物的养分吸收提供了一个框架。随着气候变化加剧，此类工具对于设计适应当地环境条件的稳健高产作物系统至关重要。

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