《Current Plant Biology》：Omics-based Approaches for Decoding Root Dynamics in Legumes
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本文系统综述了多组学技术在解析豆科植物根系结构（RSA）与动态中的前沿应用，涵盖了基因组学、转录组学、单细胞/空间转录组、表观遗传学、蛋白质组学、代谢组学及表型组学。文章聚焦于大豆、鹰嘴豆、豌豆等主要豆科作物，揭示了根系发育、结瘤固氮、非生物胁迫响应的关键调控网络与分子机制，并阐述了如何整合高通量表型平台与多组学数据，加速培育具有高效养分利用和气候适应性的豆科作物新品系。
引言
面对不断变化的气候条件、日益增长的人口以及可耕地减少的挑战，采用可持续农业实践对全球粮食安全至关重要。气候变化通过引发盐分、冷、热和干旱等多种非生物胁迫，影响作物产量和生理过程。与此同时，水资源短缺加剧、化肥成本上升及其对环境的负面影响，使得聚焦于地上部性状改良的传统育种策略面临局限。许多限制产量的过程，如水分获取、养分觅食和共生固氮，都发生在地下，且早期的胁迫感知常起始于根系。根系通过维持胁迫下的水力传导和养分供应来缓冲冠层性能，是植物从土壤中获取水分和养分、进行固氮以及适应干旱、盐分、冷、热等环境胁迫的主要器官。豆科植物根系发育受遗传、激素和环境信号的协同调控，包括侧根起始、根毛发育以及根瘤等特化器官的形成。这些过程受到多胁迫信号、养分有效性、水分胁迫和微生物相互作用的调节。
根系在土壤中呈现的空间结构被称为根系结构（RSA）。RSA受多种组分特征控制，如总根长、根数、根角度、根粗、根表面积、根生长习性和根长密度，其中许多性状表现为多基因遗传。RSA在培育抗逆品种、影响植物养分吸收、以及影响产量和氮利用效率（NUE）方面显示出潜力。豆科植物因其与固氮细菌根瘤菌形成独特共生关系的能力，在可持续农业中扮演着重要角色，可显著减少对合成肥料的需求并提高土壤肥力。豆科植物的RSA不仅是养分吸收/获取和多胁迫适应的核心，也代表了根际发育可塑性和微生物相互作用的动态位点。
尽管传统遗传和生理学研究提供了良好基础，但根系系统错综复杂，需要更细致的方法。高通量组学技术的进步使得研究人员能够以前所未有的分辨率解析根系动态。近年来，向单细胞和空间转录组学的转变实现了豆科植物细胞水平基因表达的高分辨率图谱绘制。表观基因组学通过揭示染色质水平的调控机制，进一步推进了根和根瘤生物学研究。这些尖端方法与根际微生物组研究相结合，为从基因表达、染色质动态到微生物相互作用的豆科植物RSA提供了多层次视角。
豆科植物根系性状的重要性
豆科植物的根系性状对于高效的水分和养分获取、胁迫耐受性以及共生固氮至关重要，这些是可持续农业生产的基本要素。根系深度、密度、分枝模式和根毛长度等性状直接影响从土壤中吸收水分和养分的效率。此外，RSA决定了豆科植物与细菌共生联合的有效性，这对于生物固氮（BNF）至关重要。豆科植物通常展示两种类型的根系：存在于鹰嘴豆、木豆、大豆和花生中的直根系，以及存在于绿豆、豇豆和普通菜豆中的须根系。直根系能使根更深地穿透土壤，促进从亚表层土壤中吸收养分和水分，从而提供高水平的干旱胁迫耐受性。相比之下，须根系具有密集的侧根分枝，有利于高效吸收表层土壤中的水分和养分，特别是磷（P）等移动性差的养分元素。这些根系直接影响根瘤的形成，根瘤是容纳共生固氮细菌（根瘤菌）的特化器官。
豆科植物中BNF的效率与根系结构和根瘤特性（包括数量、位置及其活性）紧密相关。例如，在鹰嘴豆中，发育良好的直根系支持更深层的结瘤和在终端干旱条件下的持续固氮。同样，具有须根系的豆科植物如豇豆和绿豆，则受益于更高的侧根密度，这为根瘤菌侵染和早期结瘤提供了更多位点。RSA还影响与根瘤菌和丛枝菌根真菌的信号传递，进一步增强养分吸收和胁迫恢复力。尽管已有知识，我们对豆科植物RSA与微生物联合以实现根系固氮、水分和养分吸收以及非生物胁迫耐受性之间的复杂关系的理解仍然有限。现代组学和表型分析正被越来越多地用于剖析根系性状及其遗传控制，以便进筛选具有优化根系、以增强固氮和胁迫耐受性的豆科植物理想型。因此，优化根系性状对于提高豆科作物系统的产量稳定性和可持续性具有重要前景。
组学工具箱对豆科植物根系性状的重要性
组学方法能够系统解析豆科植物根系性状背后的遗传和分子机制，促进鉴定增强养分吸收、胁迫耐受性和共生联合的关键基因和通路，以进行作物改良。组学已使RSA在谷物中可操作化。在豆科植物中，进展较慢，因为根系性状必须与结瘤一起优化，根系在不透明土壤中难以研究，且多组学资源在不同物种和数据集间仍然分散。RSA是一个涵盖性术语，包括根长、直径、数量、角度等各种根系参数。这些组分性状表现出复杂的多基因遗传，在豆科植物中通常由大量的数量性状基因座（QTL）或基因调控。此外，根系性状具有受不同转录因子、调控蛋白、表观遗传机制和代谢化合物控制的复杂调控网络。这些机制将感知环境信号，以组织和阶段特异性的方式协调细胞分裂/伸长、侧根起始、根毛形成和结瘤。为了在豆科植物中实现基于RSA的改良，研究人员必须理解其遗传和分子复杂性。
包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学、表观基因组学和表型组学在内的多种组学技术可用于作物的遗传改良。将组学与生物信息学分析相结合，阐明了控制作物重要性状的基因网络和机制。基因组学有助于鉴定控制RSA性状的QTL和基因。转录组学和蛋白质组学提供了参与RSA发育的多个基因和蛋白质的整体表达动态。表观基因组学鉴定导致RSA变化的表观遗传修饰，而代谢组学则提供与根系性状相关的各种代谢物信息。
一旦通过组学方法鉴定出RSA相关基因，就可以设计基于基因的分子标记，以促进标记辅助选择（MAS）或标记辅助回交（MABC）。除此之外，基因组测序技术和质谱学的最新进展为各种组学技术提供了巨大的飞跃。当结合使用时，这些组学技术深入揭示了鹰嘴豆干旱胁迫下和甘蓝型油菜氮、磷、钾缺乏等条件下与根系性状相关的复杂分子机制。简言之，RSA受多种因素影响，这些因素由大量基因及其表达模式控制。在这种情况下，组学方法对于理解和改善不同作物生长情景下的RSA具有重要意义。一个清晰的前进方向是将与田间相关的表型分析与全基因组关联分析（GWAS）/QTL/表达数量性状基因座（eQTL）以及蛋白质组学、代谢组学联系起来，为RSA、养分利用和共生提供标记和经过验证的效应物。
理解豆科植物根系结构的表型工具
根系表型分析在豆科植物育种中至关重要，特别是对于培育抗逆品种。由于根系隐蔽且结构复杂，传统的表型分析方法通常缺乏效率和可扩展性。RSA在豆科植物育种中仍未得到充分开发，主要受两个关键挑战的限制：高通量表型（HTP）的困难以及土壤环境的不透明性。表型分析瓶颈源于传统破坏性且劳动密集型的方法，如人工挖掘和根系追踪，这些方法阻碍了通量、准确性以及评估三维根系性状（如角度可塑性和细根分布）的能力。同时，土壤不透明性阻碍了根系发育的原位可视化和根-土相互作用的原位研究，从而掩盖了对干旱和养分梯度等环境刺激的时序响应。HTP为表型组学铺平了道路，实现了复杂性状的快速、大规模表征。
根系成像和分析系统的最新发展，包括二维（如根箱、琼脂平板、纸袋）和三维（如X射线计算机断层扫描-CT和磁共振成像-MRI）系统，极大地促进了对不同作物RSA的理解。这些平台（如数字根系性状成像-DIRT和DIRT/3D）提供了高通量和基于田间的表型分析，可以快速、非破坏性地分析大量基因型。然而，与谷物相比，这些技术在豆科植物中未得到充分利用，尽管它们可能有助于加速与资源利用效率和恢复力相关的根系性状育种。历史上，根系表型很大程度上是使用二维成像方法进行探索的。这些包括基于土壤和纸袋设置的系统，用于对根长、分枝及其密度进行初步评估。这些方案成本低且易于使用；然而，它们具有破坏性，不能代表真实环境中的根系结构。纸袋设置本身可用于在受控实验室条件下快速观察幼根，从而允许对基因型进行高通量筛选。尽管如此，由于缺乏真实土壤和纸袋的平面结构，无法研究原位生长过程中形成的三维结构特征。
RhizoPot能够在土壤中对豆科植物根系进行高通量、原位、非破坏性成像，支持纵向RSA和根瘤图谱绘制，用于干旱和磷胁迫测定。在豆科植物中经过验证的根表型分析工具箱（RPT）可以通过微调分割和添加根瘤感知性状（数量、大小、带深度）、根毛、主根直径和侧根级数来快速适应豆科植物。RhizoPot和RPT产生了可重复的、接近田间的表型，可与GWAS/QTL和BNF验证相结合，缩小实验室系统与田间“铲子组学”之间的差距。
半水培系统在营养液（通常有惰性支撑物）中种植植物，能够无阻碍、非破坏性地监测根系生长。根箱是透明或半透明的容器，根在箱子一侧生长，便于成像。此类系统适用于鹰嘴豆和大豆等豆科植物，以监测根系发育、结瘤和对养分梯度的响应。使用根箱系统，研究在苗期表征了53个紫花苜蓿基因型的RSA和解剖变异，鉴定了与生物量和养分吸收相关的性状，为培育抗旱、养分高效品种提供了目标。半水培系统便于根系收获，可用于高通量筛选。半水培系统导致的人工根系生长模式是其主要局限性。为了在真实环境中进行根系表型分析，已开发了基于田间的“铲子组学”方法。一项研究报告称，铲子组学允许在田间对普通菜豆和豇豆的根系结构性状进行高通量表型分析，并促进鉴定具有更强干旱恢复力和养分获取效率的基因型。在这种方法中，植物在特定阶段被挖出；根冠被成像，并使用组合图像分析和手动评分量化基生根数和主根直径等表型，从而实现高通量RSA表型分析。
容纳透明面板的较大土壤容器（根际窗系统）可以促进根系的长期非破坏性成像和观察。透明或半透明生长系统（根际窗、凝胶室和气培法）允许对根系进行重复成像。根系成像和表型分析的自动化以GrowScreen-Root的发展为亮点。根际窗系统已有效用于揭示豆科植物与干旱恢复力相关的根系表型。根际窗更接近地模拟田间条件，并能够沿着环境梯度对RSA进行时空检查。然而，其安装和维护需要大量空间和资源。像RhizoTubes（高大的透明圆筒）这样的平台能够对多株植物进行自动原位成像。RhizoTubes可以种植蒺藜苜蓿和其他豆科植物，根系自由生长，支持对整个根系进行非破坏性高分辨率摄影。通过用GrowScreen-Root和RhizoTubes等自动成像工具补充高通量分析，可以精确监测豆科植物根系性状随时间的变化，这种方式密切代表了真实环境条件。
可以使用非侵入性、高分辨率三维成像方法捕获土壤中的根系。其中包括计算机断层扫描（CT）、磁共振成像（MRI）和摄影测量成像。这些方法提供了关于根的体积、角度和空间排列的信息，而不影响植物-土壤相互作用。X射线CT已用于分析干旱胁迫下鹰嘴豆和扁豆的根系分布和结构。CT用于在多个时间点扫描作物根系，产生根系生长的体积数据。MRI具有更好的软组织对比度，可分析更精细的根细节。摄影测量是图像的三维重建，为评估地表根特征提供了经济实惠的替代方案。尽管成本高且通量有限，CT和MRI等先进成像方法为可视化根系分枝、空间分布和土壤探索动态提供了无与伦比的分辨率。在大豆和普通菜豆中，断层扫描已被用于测量不同土壤条件下根的角度可塑性和深度分布。与自动图像分析相结合时，这些技术能够精确量化根的体积、弯曲度和结构轮廓。
实验室基于的根系表型分析工具允许对多个根系性状进行高分辨率和连续测量，包括根长和直径、分枝和角度。每日成像能够跟踪生长动力学和侧根的出现。此类HTP方法最适合进行局部环境操作（例如，根区干旱）并结合分子分析，如RNA测序或DNA甲基化谱分析。这些系统虽然非常精确且允许高通量，但可能无法重现田间土壤条件的复杂性，这可能会限制某些观察的生态相关性。通过整合先进工具，如自动成像、环境传感器和人工智能，HTP能够精确量化RSA性状以及对遗传和环境变异的响应，加速豆科植物改良。
利用组学工具解码豆科植物的根系结构
RSA是胁迫恢复力和养分吸收的关键决定因素，已通过整合组学方法进行了广泛研究。这些包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和宏基因组学，它们共同阐明了重要豆科植物如大豆、花生、木豆、鹰嘴豆、豇豆和普通菜豆的适应机制。豆科植物组学在与不断发展的表型分析和现代育种方法相关的进展，在提高这些作物的胁迫恢复力方面具有巨大前景。在大豆中，干旱胁迫下的转录组分析已鉴定了参与激素调节、次生代谢和细胞稳态的差异表达基因（DEG）。整合组学方法揭示了防御相关代谢途径的作用，例如苯丙烷和类黄酮生物合成，通过关键基因如GmPR10增强对根结线虫的抗性。干旱响应转录组谱分析揭示了ABA（脱落酸）和JA（茉莉酸）响应基因的上调，从而改善了渗透调节和活性氧（ROS）清除。花生中的毛状根表现出叶状性状，与主根相比显示出不同的转录组谱。AhGLK1的过表达通过叶绿素生物合成、半乳糖和卟啉代谢相关途径增强干旱恢复。AhGLK1在干旱恢复中起关键作用，可能通过改善碳同化和半乳糖介导的渗透保护间接有益于根系性状，从而支持根系生长、分枝和胁迫后恢复。
在木豆中，磷缺乏触发形态和分子RSA重塑，包括总根长、表面积增加和有机酸分泌增加。整合表型、基因组、转录组、代谢组和脂质组分析表明，磷酸盐转运蛋白（PHT1）、脂质周转基因（PECP）和有机酸生物合成基因（例如GAD）的上调，促进了木豆在磷饥饿条件下增强的养分获取。同样，在鹰嘴豆中，缺水条件下的组学方法揭示了糖转运蛋白、水通道蛋白和结瘤相关受体激酶的诱导，表明干旱信号与共生之间存在串扰。表达谱鉴定并表征了鹰嘴豆中的CaLysM-RLK基因，揭示了CaNFP和CaLYK3作为关键的结瘤因子受体，其下调会损害结瘤，表明它们在共生中的重要作用以及改善固氮的潜力。在鹰嘴豆中，CaNFP作为结瘤因子受体，是早期根瘤菌信号感知和宿主识别所必需的，而CaLYK3是一种LysM受体样激酶，介导结瘤因子信号传导和侵染线发育，两者对于根瘤菌成功进入和根瘤建立都至关重要。最近整合了干旱胁迫下鹰嘴豆根的转录组学、蛋白质组学和代谢组学数据，鉴定了与半乳糖代谢相关的关键蛋白、代谢物和候选基因。
全基因组关联研究（GWAS）已鉴定了与根直径、侧根密度和根深相关的QTL，这些QTL与控制产量和独角金抗性的区域共定位，支持RSA作为豇豆多性状选择靶点。一项GWAS研究在241个豇豆基因型中鉴定了与BNF性状相关的基因组区域和候选基因，揭示了与结瘤效率相关的显著标记和有利等位基因，有助于针对高BNF和资源高效品种的标记辅助育种。紫花苜蓿是一种模范饲用豆科植物，也受益于组学辅助育种，其中高密度单核苷酸多态性（SNP）图谱揭示了根系性状与编码不同转录因子的基因组位点之间的强关联。GWAS和基因组预测表明，RSA性状，特别是根干重，与紫花苜蓿产量密切相关，鉴定出了可以加速抗旱性和牧草生产力遗传改良的关键候选基因和单倍型。
除了分子途径，组学研究还揭示了胁迫下的代谢重编程。在蒺藜苜蓿中，根冠细胞的转录组-代谢组联合分析揭示了类黄酮（例如，7,4′-二羟基黄酮）的积累，以及初级代谢的抑制，从而暗示了向防御和根际信号传导的转变。在养分和水分胁迫下，豆科植物的广泛代谢组学调查已鉴定出三羧酸循环中间体、糖类、氨基酸和植物激素的一致变化，这些变化与RSA可塑性相关。此外，在红三叶草和普通菜豆中利用宏基因组学进行的根系微生物组研究表明，根系分泌物和微生物群落相互影响RSA发育和胁迫耐受性。
展望未来，这些多组学知识为通过标记辅助选择（MAS）和基因组预测进行豆科植物改良提供了平台。例如，紫花苜蓿根系性状的基因组选择（GS）使用与RSA相关的SNP已达到0.70-0.80的准确度。将高通量表型（HTP）与根系组学和微生物组数据整合，将促进培育具有更深、分枝更多且共生效率更高的根系的豆科植物品种。这样的根系对于提高养分利用效率、干旱恢
