根系是植物吸收水分和營養物質的重要器官，良好的根系結構能夠顯著提高水分和養分利用效率、增強植物抗逆性，對提高糧食産量具有重要作用。小麥是全球種植最為廣泛的糧食作物之一，在過去的一個世紀裡，育種家通過對其株型、穗部和籽粒等地上性狀進行系統選擇，顯著地提高了小麥産量。由于根系生長在地下，不友善進行表型觀察，不是小麥育種改良的直接靶标性狀，是以，現代育種選擇是否對根系性狀産生了影響依然是未知的。
近日，西北農林科技大學農學院許盛寶教授團隊在Plant Physiology上發表了題為“Modern wheat breeding selection synergistically improves above- and belowground traits”的研究論文，揭示了現代小麥育種改良通過選擇能夠同時調控地上性狀和地下性狀的遺傳位點，進而協同改良了根系性狀，為未來小麥根系結構遺傳改良和産量提升提供了新思路。
該研究對前期收集的406份六倍體小麥材料進行了系統的苗期根系表型鑒定和比較（Wang et al. 2022; Zhao et al. 2023），發現現代栽培種的根系相對于農家種顯著增大，表明根系雖然不是小麥育種改良的直接靶标性狀，但在育種改良過程中發生了顯著變化。進一步，通過對該群體地上部農藝性狀和根系表型進行相關性分析，發現兩者顯著相關，且栽培種中的相關性更強（圖1A-B），說明根系與地上性狀在育種過程中發生了同步變化。
圖1. 根系與地上表型相關性。LA:農家種，MC:現代栽培種。
為了探索小麥根系與地上性狀同步變化的原因，本研究利用群體基因型資料，在全基因組範圍内鑒定出44,979個連鎖區段，并基于混合線性模型開發了連鎖區段對特定表型遺傳效應的評估方法，鑒定出同時對地上和根系性狀有遺傳效應的“雙效應區段”。分析發現，雙效應區段顯著富集在育種選擇區域，且90.74%雙效應區段中受育種選擇的單倍型可同時使地上和根系性狀朝現代栽培種方向改良，說明小麥育種程序通過選擇可同時改良地上和地下性狀的單倍型，進而協同改良了地上和地下根系性狀。
此外，該研究還搭建了開放型小麥基因型和表型資料庫WGPD（Wheat Genotype and Phenotype Database，http://resource.iwheat.net/WGPD/），整合了研究過程中所産生的小麥地上和根系相關表型、基因型、基因表達量、基因組連鎖區段對每個表型的遺傳效應等資料（圖2），并提供查詢和下載下傳通道，為小麥其他重要農藝性狀的研究提供了資料支撐。
圖2. 小麥基因型和表型資料庫功能示意圖。
西北農林科技大學農學院王曉明副教授、許盛寶教授和英國約翰英納斯中心（John Innes Centre）Cristobal Uauy教授為該論文的共同通訊作者，在讀博士生趙鵬、已畢業博士生劉子輝和青年教師史雪為論文共同第一作者，吉萬全教授對該工作進行了指導和幫助，碩士生侯文揚、程明珠、劉育秀和約翰英納斯中心James Simmonds博士參與了該課題研究。本研究得到中國博士後科學基金特别資助（2021T140566）和作物抗逆與高效生産全國重點實驗室、西北農林科技大學高性能計算平台、作物生物學創新中心的支援。
參考文獻：Wang X, Zhao P, Guo X, Liu Z, Ma X, Zhao Y, Lai X, Huang L, Wang W, Han D, Kang Z, Xu S (2022) Population transcriptome and phenotype reveal that the Rht-D1b contribute a larger seedling roots to modern wheat cultivars. bioRxiv: 2022.2006.2002.494553.Zhao P, Ma X, Zhang R, Cheng M, Niu Y, Shi X, Ji W, Xu S, Wang X (2023) Integration of genome-wide association study, linkage analysis, and population transcriptome analysis to reveal the TaFMO1-5B modulating seminal root growth in bread wheat. The Plant Journal 116: 1385-1400.
論文連結：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae270
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