aBIOTECH | 加拿大萨斯喀彻温大学Leon Kochian教授解析培育营养—抗旱性能兼顾作物的根系结构基础

       近年来，全球气候变化和干旱胁迫进一步加剧，作物的生长和产量都受到了极大影响，实现粮食的可持续发展对全球农业构成了挑战。近年来，根系作为植物与土壤密切接触的器官而广受关注，其与作物的产量、品质和抗逆性密切相关。其中，根系构型（RSA）即植物根系的空间分布，在必需养分（氮、磷、钾）和水的高效吸收过程中起重要作用。根系与土壤密切接触，最先感知和响应土壤水分含量，进一步引发根系形态变化。根系构型是根系形态特征的重要体现之一，它可以根据土壤含水量和养分的变化而发生变化，从而更好地获取水分和养分。因此探究RSA在作物高产、遗传改良等方面的应用，对实现农业的可持续发展具有重要意义。

       近日，加拿大萨斯喀彻温大学Leon Kochian教授在aBIOTECH发表了题为“Constitutive basis of root system architecture: uncovering a promising trait for breeding nutrient- and drought-resilient crops”的研究论文。

       作物生长所需的养分与水分在土壤中分布不均一。因此，在培育磷高效品种时，需要同时考虑获取氮和钾等可移动养分，如选育根系更均匀分布在表层和深层土壤剖面的“倒三角形” RSA（图1-B），高效吸收表层土壤养分磷的同时，兼顾高效吸收更深层土壤中的氮，钾和水等养分资源。因此，为探索RSA与作物产量之间的关系，作者选用美国和巴西地区的代表性高梁品种：磷高效品种（SC103）和磷低效品种（BTx635），对其RSA进行了深入的研究，并进一步明确其根系分布模式，均表现为倒三角形的RSA。

图1 根系结构的图式表征，代表了基于表土层和深层根系的系统

       进一步，分别在营养充足和营养缺乏条件下对SC103和BTx635进行水培和土培培养，并采用2D根系成像技术对其根体系结构进行测量。结果表明，高粱SC103在充足和缺磷条件下均表现出更发达的根系统（图2）。

       图2 高粱根系( SC103和BTx635)在200 mM Pi (充足磷)和10、2.5和0 mM Pi (低磷)下对移栽后7、9和12天( Dat )的响应。

       作者根据高梁主胚根的长度，将根系统分为均等的三个区域。在顶部区域，无论是否缺磷，SC103都展现出更长的总根长；在低磷胁迫下，SC103和BTx635在顶部区域总根长均显著增加；缺磷条件下，SC103和BTx635的根系在三个不同区域分布的百分比相似。作者通过开展RSA对缺氮和干旱胁迫的响应试验，发现低氮和干旱胁迫均会抑制两个高梁品种的根和地上部生长，但与BTx635比较，SC103仍然表现出更强的生长能力。

图5 高粱品种SC103和BTx635在高Pi (SP, 200 μM)和低Pi (LP, 2.5 μM)条件下水培10 d的初生根解剖

       根系构型(RSA)在磷、氮和水分等营养元素的高效吸收中发挥着关键作用，在养分分布不均匀的土壤中，根系的可塑性可以优化养分的获取和植物的生长。该研究结果表明，这种组成型的RSA特性，为养分高效吸收和耐干旱育种工作提供了理论依据。

       加拿大萨斯喀彻温大学Leon Kochian教授为本文的通讯作者，萨斯喀彻温大学博士后Zhigang Liu 为文本的第一作者，加州大学戴维斯分校William Lucas教授参与了本研究工作。