《Scientific Reports》：Root system architecture modulates nitrogen uptake and use efficiency, influencing grain yield in rice
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针对水稻生产中氮肥过量施用带来的成本及环境问题，该研究评估99份水稻基因型，利用水培、盆栽及大田试验结合ImageJ-SmartRoot分析，揭示根系构型（RSA）与氮利用效率（NUE）的关系，筛选出DJ123和KSK-133等优异基因型，为低氮条件下高产育种提供遗传资源。
民以食为天，粮以稻为先。水稻作为全球一半以上人口的主食，其产量直接关系到世界粮食安全。在水稻的高产栽培中，氮（N）素是不可或缺的关键营养元素。然而，当前农业生产中普遍存在氮肥过量施用的问题，这不仅大幅增加了种植成本，还导致土壤板结、水体富营养化等一系列严峻的环境风险。因此，如何提高水稻的氮利用效率（Nitrogen Use Efficiency, NUE），即在减少氮肥投入的同时维持甚至提高籽粒产量，已成为水稻遗传育种领域一个至关重要的目标。
作物的根系是其在土壤中吸收水分和养分的主要器官，而根系在土壤中的三维空间排列分布，即根系构型（Root System Architecture, RSA），被认为是决定植株养分获取效率的关键因素之一。不同水稻基因型在根系形态和构型上存在丰富的自然变异，但这些变异如何具体调控氮素的吸收、利用并最终影响籽粒产量，尚缺乏系统的比较研究。为了回答这一问题，研究人员开展了一项涵盖水培、盆栽和大田的多环境评价体系，对99份水稻基因型进行了综合筛选与分析，旨在挖掘与高NUE和稳定产量相关的优良根系表型及基因型，为未来的“减肥增效”育种提供理论依据和亲本材料。该论文发表在《Scientific Reports》。
作者为开展研究，主要采用了以下关键技术方法：研究以99份水稻基因型为初始材料，首先通过全氮（N100）和半氮（N50）水培试验，利用ImageJ-SmartRoot插件进行根系图像分析以量化根系构型（RSA）变异；随后基于主成分分析（PCA）筛选出12份根系表型极端的基因型，分别进行盆栽试验（考察农艺性状及硝酸还原酶活性）和大田试验（评估实际产量表现）；同时设置铵态氮（Ammonium）与硝态氮（Nitrate）不同氮源处理，以比较氮营养形态对SPAD值、生物量和产量的影响。
Hydroponics experiment and RSA analysis
在水培试验中，研究人员在 full nitrogen (N100) 和 half nitrogen (N50) 两种营养液条件下，利用 ImageJ-SmartRoot 软件对99份水稻基因型的根系图像进行半自动追踪和分析。结果显示，不同基因型间的根系构型（RSA）存在显著的变异。通过主成分分析（PCA），研究者成功识别并筛选出12份具有极端RSA表型的基因型，其中包括根系发达（vigorous）和根系弱小（weak）的代表类型，为后续的盆栽和田间试验奠定了基础。
Pot experiment
在盆栽试验中，研究人员进一步评估了这12份筛选出的基因型在 reduced nitrogen（减氮）条件下的农艺性状表现。结果表明，基因型 DJ123 和 KSK-133 在减氮处理下仍能保持最高的籽粒产量；相比之下，IR30 和 TKM6 的籽粒产量最低。同时，在相同处理下，KSK-133 的千粒重（TGW）最高，达到15.8 g，DJ123 为15.3 g；而 IR30 仅为6.6 g，TKM6 为7.6 g。此外，高效的基因型（如 DJ123 和 KSK-133）在减氮条件下表现出更强的硝酸盐还原能力，其硝酸还原酶（Nitrate reductase）活性分别提高了10.3%和43.2%。
Field experiment
大田试验的结果进一步验证了盆栽试验的趋势。在 N50（半量氮）处理下，KSK-133 的千粒重（TGW）高达23.9 g，而 TKM6 仅为11.4 g。这证实了具有优良根系构型（RSA）的基因型在实际田间环境中，依然能够在低氮供应条件下维持较好的籽粒充实度和产量稳定性。
Nitrogen form comparison
研究人员还比较了铵态氮（Ammonium nutrition）和硝态氮（Nitrate）两种不同氮源对水稻生长的影响。结果发现，与硝态氮营养相比，铵态氮营养使水稻的 SPAD 值（代表叶绿素含量）、生物量和籽粒产量分别显著提高了 up to 7.65%、25.3% 和 27.2%。这表明铵态氮是水稻更偏好的氮素形态，能更高效地支持其生长和产量形成。
综上所述，该研究通过对99份水稻基因型的系统评价，明确了根系构型（RSA）在调控水稻氮素吸收、氮利用效率（NUE）以及最终籽粒产量中的关键作用。研究不仅揭示了不同基因型间RSA的自然变异及其与产量的关联，还通过多环境试验锁定了 DJ123 和 KSK-133 等具有优异根系构型和高NUE的种质资源。这些高效基因型即使在 reduced nitrogen 条件下，也能通过维持较高的生物量、千粒重以及硝酸还原酶活性来确保产量的稳定性。此外，研究还强调了铵态氮相较于硝态氮在水稻生产中的高效性。这些 findings表明，以RSA为核心选择指标，利用 DJ123 和 KSK-133 等优良基因型作为 donor亲本，将为培育适应低氮环境、氮高效且高产的水稻新品种提供极具价值的遗传材料和育种策略，对实现水稻生产的“减肥增效”和农业可持续发展具有重要意义。
