根系是植物吸收水分和营养物质的重要器官，良好的根系结构能够显著提高水分和养分利用效率、增强植物抗逆性，对提高粮食产量具有重要作用。小麦是全球种植最为广泛的粮食作物之一，在过去的一个世纪里，育种家通过对其株型、穗部和籽粒等地上性状进行系统选择，显著地提高了小麦产量。由于根系生长在地下，不方便进行表型观察，不是小麦育种改良的直接靶标性状，因此，现代育种选择是否对根系性状产生了影响依然是未知的。
近日，西北农林科技大学农学院许盛宝教授团队在Plant Physiology上发表了题为“Modern wheat breeding selection synergistically improves above- and belowground traits”的研究论文，揭示了现代小麦育种改良通过选择能够同时调控地上性状和地下性状的遗传位点，从而协同改良了根系性状，为未来小麦根系结构遗传改良和产量提升提供了新思路。
该研究对前期收集的406份六倍体小麦材料进行了系统的苗期根系表型鉴定和比较（Wang et al. 2022; Zhao et al. 2023），发现现代栽培种的根系相对于农家种显著增大，表明根系虽然不是小麦育种改良的直接靶标性状，但在育种改良过程中发生了显著变化。进一步，通过对该群体地上部农艺性状和根系表型进行相关性分析，发现两者显著相关，且栽培种中的相关性更强（图1A-B），说明根系与地上性状在育种过程中发生了同步变化。
图1. 根系与地上表型相关性。LA:农家种，MC:现代栽培种。
为了探索小麦根系与地上性状同步变化的原因，本研究利用群体基因型数据，在全基因组范围内鉴定出44,979个连锁区段，并基于混合线性模型开发了连锁区段对特定表型遗传效应的评估方法，鉴定出同时对地上和根系性状有遗传效应的“双效应区段”。分析发现，双效应区段显著富集在育种选择区域，且90.74%双效应区段中受育种选择的单倍型可同时使地上和根系性状朝现代栽培种方向改良，说明小麦育种进程通过选择可同时改良地上和地下性状的单倍型，从而协同改良了地上和地下根系性状。
此外，该研究还搭建了开放型小麦基因型和表型数据库WGPD（Wheat Genotype and Phenotype Database，http://resource.iwheat.net/WGPD/），整合了研究过程中所产生的小麦地上和根系相关表型、基因型、基因表达量、基因组连锁区段对每个表型的遗传效应等数据（图2），并提供查询和下载通道，为小麦其他重要农艺性状的研究提供了数据支撑。
图2. 小麦基因型和表型数据库功能示意图。
西北农林科技大学农学院王晓明副教授、许盛宝教授和英国约翰英纳斯中心（John Innes Centre）Cristobal Uauy教授为该论文的共同通讯作者，在读博士生赵鹏、已毕业博士生刘子辉和青年教师史雪为论文共同第一作者，吉万全教授对该工作进行了指导和帮助，硕士生侯文扬、程明珠、刘育秀和约翰英纳斯中心James Simmonds博士参与了该课题研究。本研究得到中国博士后科学基金特别资助（2021T140566）和作物抗逆与高效生产全国重点实验室、西北农林科技大学高性能计算平台、作物生物学创新中心的支持。
参考文献：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.
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae270
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