综述：从基因到田间：遗传决定因素与耕作实践共同塑造谷物根系以实现可持续生产力

本综述系统探讨了谷物根系构型（RSA）的遗传调控机制（如DRO1、PSTOL1等关键基因）与耕作制度（如免耕、传统耕作）的互作效应，强调通过整合遗传学、农艺学与土壤科学优化根系特性（如深度、分枝角度），可提升水分/养分利用效率（NUE）及抗逆性，为可持续农业提供新策略。

　　

遗传控制谷物根系构型

谷物根系构型（Root System Architecture, RSA）由遗传基础与环境可塑性共同决定，其三维结构直接影响土壤锚定、水分养分吸收效率及植物-微生物互作。通过数量性状位点（QTL）定位、全基因组关联分析（GWAS）和突变体筛选等技术，已鉴定出调控根系深度、角度和分枝的关键基因。例如，水稻中深根基因DRO1通过调节根向地性生长增强抗旱性，而磷饥饿耐受基因PSTOL1则促进侧根发育以提升低磷土壤中的磷捕获能力。春化基因VRN1通过整合光周期信号间接调控根系形态建成。这些基因的等位变异为分子标记辅助育种提供了靶点。

分子育种与基因工程改良根系性状

基于QTL的分子育种策略已成功应用于根系性状改良。例如，小麦中稳定表达的QTL位点QMrl-7B在高氮和低氮条件下均能增加最大根长，并通过近等基因系（NILs）验证其对产量和氮利用效率（NUE）的正向效应。转基因技术通过编辑启动子区域或引入外源基因（如OsNAC5、ZmDRO1）增强根系可塑性，但需平衡根系生长与碳分配之间的权衡关系。CRISPR/Cas9介导的基因编辑技术正用于创制具有理想RSA的作物新种质。

根系构型对水分和养分吸收的调控机制

根系通过动态调整发育程序响应环境信号，如土壤结构、养分梯度及水分分布。深层根系可获取深层土壤水分以抵御干旱，而密集的须根系统则提高表层土壤中氮、磷的捕获效率。根构型性状（如根夹角、分支密度）直接决定资源获取效率：陡峭根角促进深层水分吸收，水平根系则增强表层养分竞争。此外，根毛形成和菌根共生等特性进一步扩大养分吸收表面积，尤其在低肥力土壤中作用显著。

耕作实践对根系构型的影响

传统耕作通过土壤翻耕短期改善根系穿透性，但长期导致有机质流失和结构退化；保护性耕作（如免耕、少耕）减少机械扰动，维持土壤稳定性，促进深层根系发育。免耕系统通过保留残茬覆盖提升土壤持水性，诱导根系向深处延伸，而传统耕作引起的表层板结可能限制早期根系建植。不同耕作方式通过改变土壤容重、孔隙度和微生物群落间接调控根系表型表达。

遗传与耕作互作对根系发育的协同效应

基因型与耕作管理的互作（G×E×M）显著影响根系性状表达。例如，携带深根等位基因的品种在免耕系统中表现出更高冠根数量和根系生物量，而浅根基因型在传统耕作下可能更具优势。这种互作通过土壤环境（如压实层、水分梯度）调节遗传程序的表达强度，需通过田间表型组学（如根系扫描、CT成像）量化不同管理条件下的根系响应模式。

根系构型对作物生产力与可持续性的影响

优化RSA可同步提升产量潜力和资源利用效率。深根系统增强干旱条件下的水分获取，提高产量稳定性；分枝密集的根系提升氮磷回收率，减少肥料投入。保护性耕作与适宜基因型的结合还能改善土壤健康，如增加有机碳储量、减少侵蚀，并增强系统韧性应对气候变化。

未来研究方向

需整合多组学技术（基因组、表型组、土壤微生物组）解析RSA的遗传网络，开发高通量根系表型平台实现田间精准监测。利用机器学习模型预测基因-管理互作效应，并设计适应特定土壤环境的理想根型。跨学科合作将推动基于根系的精准农业策略，实现可持续集约化生产。

结论

谷物根系优化依赖于遗传调控与耕作实践的协同整合。关键基因（如DRO1、PSTOL1）提供定向改良靶点，而保护性耕作通过维持土壤健康促进根系功能表达。未来需融合数据科学与田间验证，推动根系设计从理论走向应用。