《Frontiers in Plant Science》：A two-tier strategy for developing water deficit stress tolerant maize: hydroponics-based root phenotyping followed by rainfed field validation
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本文推薦一項(xiàng)關(guān)于玉米（Zea mays L.）耐旱性育種的創(chuàng)新研究。作者開發(fā)了一種“兩步法”篩選策略，先利用聚乙二醇（PEG6000）誘導(dǎo)滲透脅迫的水培系統(tǒng)（hydroponics）快速篩選幼苗期根系構(gòu)型性狀，再于田間進(jìn)行生育期前的管理式水分虧缺（WDS）驗(yàn)證。研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵根系性狀（如根尖數(shù)RT、總根長(zhǎng)TL）與產(chǎn)量組分、歸一化植被指數(shù)（NDVI）呈強(qiáng)正相關(guān)（r ≥ 0.70）。通過(guò)方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）及耐逆指數(shù)（STI/TOL）評(píng)估，成功鑒定出ILM23、ILM24等核心耐逆供體材料。水培與田間表現(xiàn)排名近乎一致（Spearman's ρ = 0.988），證明該整合方法能高效、低成本地早期篩選高水分利用效率（WUE）或耐WDS基因型，為加速培育抗逆玉米雜交種提供了可靠框架。
本研究旨在應(yīng)對(duì)氣候變化下玉米生產(chǎn)面臨的水分虧缺脅迫（WDS）日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在非規(guī)律降雨條件下，特別是在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)至開花期遭遇WDS，會(huì)嚴(yán)重影響玉米的形態(tài)、開花行為和籽粒發(fā)育，導(dǎo)致產(chǎn)量下降。因此，培育耐WDS基因型成為當(dāng)務(wù)之急。根系作為感知土壤水分變化、吸收水分和養(yǎng)分的關(guān)鍵器官，其構(gòu)型在決定植物水分狀況和產(chǎn)量方面扮演核心角色。然而，傳統(tǒng)田間或盆栽實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行根系表征復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。為解決此問題，本研究開發(fā)并驗(yàn)證了一種高效的兩步篩選策略。
材料與方法
研究使用了一套包含50個(gè)不同來(lái)源的玉米自交系，其中包括來(lái)自旁遮普農(nóng)業(yè)大學(xué)（Punjab Agricultural University）的LM/PML系列，以及來(lái)自國(guó)際玉米小麥改良中心（CIMMYT）亞洲中心的VL系列。此外，還包含了兩個(gè)通過(guò)標(biāo)記輔助育種將主要WDS耐受性數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）滲入而培育的基因滲入系ILM23和ILM24，及其未轉(zhuǎn)化的對(duì)應(yīng)系LM23和LM24。
實(shí)驗(yàn)一：基于水培的玉米自交系早期篩選
在2023-24年度，于網(wǎng)室水培系統(tǒng)中對(duì)玉米自交系進(jìn)行WDS耐受性篩選。種子表面消毒后，在椰糠中發(fā)芽15天，然后轉(zhuǎn)移至裝有陶粒的網(wǎng)孔盆中。以正常供水條件的幼苗作為對(duì)照，而WDS處理則在V5時(shí)期（開花前至開花期）使用含有10%聚乙二醇-6000（PEG-6000）的優(yōu)化霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液中誘導(dǎo)，持續(xù)15天。營(yíng)養(yǎng)液每3-5天更換一次，pH值每日監(jiān)測(cè)并維持在7.0 ± 0.2。實(shí)驗(yàn)采用隨機(jī)完全區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)處理兩個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)每個(gè)基因型3株植物。在播種后60天（DAS）收獲根系，并使用內(nèi)置軟件Biovis PSM-R2000掃描，以測(cè)定投影面積（PA）、直徑（DiaA, DiaM）、體積、根尖數(shù)（RT）、分叉數(shù)（Forks）、根段數(shù)（Seg）和總根長(zhǎng)（TL）。
實(shí)驗(yàn)二：管理式WDS下的田間驗(yàn)證
田間驗(yàn)證試驗(yàn)于2024-25年度拉比（rabi）季節(jié)在印度海得拉巴CIMMYT-ICRISAT校園的砂壤土上進(jìn)行。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，兩次重復(fù)。于2024年11月24日播種，2025年4月26日收獲。通過(guò)根據(jù)累積生長(zhǎng)度日（GDD）暫停灌溉來(lái)施加開花前WDS，具體是從GDD達(dá)到618.7時(shí)（2025年1月18日）開始停止灌溉，直到GDD達(dá)到1072.15時(shí)（2025年2月21日）恢復(fù)“救援灌溉”，以防止不可逆的萎蔫。土壤水分使用Delta-T PR2土壤水分探頭監(jiān)測(cè)，以保持一致的脅迫強(qiáng)度。GDD的計(jì)算公式為：GDD = ((Tmax+ Tmin)/2) – Tbase，其中Tmax為日最高溫度，Tmin為日最低溫度，Tbase為作物生長(zhǎng)的基礎(chǔ)溫度（例如玉米通常為10°C）。
數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)分析
共記錄了15個(gè)性狀，包括開花性狀（如50%散粉日數(shù)DA、開花-吐絲間隔期ASI）、營(yíng)養(yǎng)和葉片性狀（如株高PH、葉片數(shù)NL、SPAD葉綠素指數(shù)、歸一化植被指數(shù)NDVI）、穗部性狀（如穗位高EH、穗長(zhǎng)EL）和產(chǎn)量性狀（如每行粒數(shù)NKR、每穗行數(shù)KR、穗軸長(zhǎng)CL、穗軸寬CB、每行谷物產(chǎn)量GY）。利用對(duì)照（YN）和WDS（YS）條件下的根性狀數(shù)據(jù)，以及各自環(huán)境中所有自交系的平均性狀數(shù)據(jù)（XN和XS），計(jì)算了脅迫耐受指數(shù)（STI）和脅迫耐受性（TOL）：STI = (YN× YS)/XS2；TOL = YN– YS。使用R 4.5.0版進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
結(jié)果
水培表型分析方案的優(yōu)化
成功優(yōu)化了用于玉米WDS下早期表型分析的水培方案，明確了常量營(yíng)養(yǎng)元素和微量營(yíng)養(yǎng)元素的濃度，并使用10% PEG-6000在播種后45天模擬滲透脅迫，為評(píng)估根和地上部響應(yīng)提供了受控環(huán)境。
根和產(chǎn)量性狀的方差分析
水培平臺(tái)下根性狀的方差分析（ANOVA）顯示，基因型、性狀以及基因型×性狀互作均存在極顯著差異（p<0.001），WDS處理影響顯著（p<0.01），而重復(fù)效應(yīng)不顯著。同樣，田間產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀的評(píng)估也顯示基因型、性狀及互作效應(yīng)極顯著（p<0.001），重復(fù)效應(yīng)不顯著。這些結(jié)果突顯了強(qiáng)烈的基因型差異和性狀特異性反應(yīng)，支持了水培和田間平臺(tái)在鑒定耐WDS玉米基因型方面的有效性。箱線圖分析顯示，在WDS下，最大根直徑（DiaM）、分叉數(shù)（Forks）和根段數(shù)（Seg）等性狀降低，而根尖數(shù)（RT）和總根長(zhǎng)（TL）增加，這表明了適應(yīng)性或補(bǔ)償性的根系響應(yīng)。NDVI和投影面積（PA）在WDS下呈現(xiàn)中度降低，且存在顯著的基因型變異。
與生理、籽粒和產(chǎn)量參數(shù)相關(guān)的根性狀
相關(guān)性分析表明，根性狀與產(chǎn)量構(gòu)成性狀呈強(qiáng)正相關(guān)，證實(shí)了其在驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)力方面的重要性。根尖數(shù)（RT）與每穗行數(shù)（KR）、每行粒數(shù)（NKR）和谷物產(chǎn)量（GY）呈極顯著正相關(guān)（r分別為0.85、0.84、0.85）。總根長(zhǎng)（TL）與NDVI、KR、NKR和GY也呈正相關(guān)（r分別為0.73、0.82、0.84、0.74）。其他根性狀，如分叉數(shù)、根段數(shù)和根直徑，也與產(chǎn)量及其組分性狀顯示出強(qiáng)正相關(guān)關(guān)系。
利用主成分分析進(jìn)行性狀關(guān)聯(lián)的多變量分析
主成分分析（PCA）整合了根系、生理和產(chǎn)量性狀，以識(shí)別WDS耐受性的關(guān)鍵貢獻(xiàn)者。第一主成分（Dim1）解釋了50.2%的變異，受根性狀（RT、Seg、TL、Forks、DiaA、DiaM）、NDVI、產(chǎn)量構(gòu)成性狀（KR、NKR、CL、CB）和GY的強(qiáng)烈影響，這些性狀在正方向上緊密聚集，表明它們?cè)隍?qū)動(dòng)產(chǎn)量表現(xiàn)方面具有強(qiáng)相互依賴性。第二主成分（Dim2）解釋了14.6%的變異，主要由DA、LW和LL在正軸上定義，而PH、EH和NP貢獻(xiàn)于負(fù)軸。開花-吐絲間隔期（ASI）遠(yuǎn)離產(chǎn)量和根相關(guān)性狀，與LL和LW聚集，反映了其與產(chǎn)量和繁殖效率的負(fù)相關(guān)關(guān)系。PCA和相關(guān)分析確定了在WDS下驅(qū)動(dòng)谷物產(chǎn)量（GY）的頂級(jí)性狀。根構(gòu)型性狀，包括根尖數(shù)（RT, r = 0.88）、總根長(zhǎng)（TL, r = 0.74）、分叉數(shù)（r = 0.75）和根段數(shù)（Seg, r = 0.70），與GY呈強(qiáng)正相關(guān)，突出了地下部分恢復(fù)力在維持產(chǎn)量中的關(guān)鍵作用。在地上部性狀中，NDVI（r = 0.69）和每行粒數(shù)（NKR, r = 0.81）也與產(chǎn)量強(qiáng)相關(guān)，表明冠層健康和繁殖效率與根系性能相輔相成。
基于水培-田間排名相關(guān)性和脅迫耐受指數(shù)的有前景基因型鑒定
在WDS下對(duì)玉米自交系的評(píng)估揭示了根構(gòu)型、生理性狀和谷物產(chǎn)量的顯著差異。在測(cè)試的基因型中，ILM23和ILM24在多個(gè)性狀上始終表現(xiàn)出優(yōu)異性能。這兩個(gè)品系均具有高度活躍的根系（RT分別為345和367；TL分別為345.6和378.4；Seg分別為415和787）、穩(wěn)健的生理狀態(tài)（NDVI分別為0.64和0.66；SPAD分別為24.3和15.9）以及最高的谷物產(chǎn)量（分別為3.56和3.22 kg/小區(qū)）。脅迫耐受指數(shù)進(jìn)一步證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)。ILM23和ILM24在RT和TL上記錄了最高的STI值（例如，ILM23的RT_STI為1.78，TL_STI為1.76），表明在脅迫下具有很強(qiáng)的恢復(fù)力，而其負(fù)的TOL值則突出了相對(duì)于最佳條件的最小產(chǎn)量減少。相比之下，耐逆自交系如PML1285和PML1275顯示出中等的STI和接近零或輕微為正的TOL值。而作為耐旱對(duì)照的LM22記錄的STI值較低（RT: 0.46; TL: 0.26），表明本研究報(bào)告的品系具有更高的脅迫適應(yīng)性。感病品系如EML232產(chǎn)量極低（0.34 kg/小區(qū)），STI值也低（RT: 0.21; TL: 0.18）。重要的是，ILM23和ILM24是通過(guò)標(biāo)記輔助育種滲入主要WDS耐受性QTL而培育的，屬于來(lái)自先前釋放的雜交種PMH10親本的不同雜種優(yōu)勢(shì)群。這些具有健壯根系、生理恢復(fù)力和互補(bǔ)遺傳背景的基因滲入系，是開發(fā)耐WDS玉米雜交種的理想供體系。
斯皮爾曼等級(jí)相關(guān)系數(shù)（ρ = 0.988）顯示水培和田間排名近乎完美一致，證實(shí)水培篩選是WDS下田間表現(xiàn)的可靠預(yù)測(cè)指標(biāo)。高分辨率根掃描圖像強(qiáng)化了這些觀察結(jié)果，捕捉到了支撐WDS恢復(fù)力的顯著根系增殖和構(gòu)型復(fù)雜性。
討論
WDS是限制玉米生產(chǎn)力的主要非生物脅迫，影響細(xì)胞分裂、伸長(zhǎng)、光合作用和根系解剖結(jié)構(gòu)。其影響在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和開花期尤為嚴(yán)重，此時(shí)繁殖組織、根系形態(tài)和谷物產(chǎn)量最為脆弱。因此，篩選具有恢復(fù)力的種質(zhì)是育種的重點(diǎn)。歷史上，地上部性狀一直被強(qiáng)調(diào)，而根性狀常因破壞性、勞動(dòng)密集型的表型分析而被忽視。本研究的一個(gè)關(guān)鍵貢獻(xiàn)是優(yōu)化了用于PEG誘導(dǎo)滲透脅迫下早期根系表型分析的水培方案，能夠精確提取和量化復(fù)雜的根性狀。雖然水培系統(tǒng)不能完全復(fù)制自然土壤中存在的機(jī)械阻力、微生物相互作用和異質(zhì)水分梯度，但它們?yōu)榉蛛x基因型對(duì)水分虧缺脅迫的響應(yīng)提供了一個(gè)高度受控的環(huán)境。本研究中應(yīng)用的PEG誘導(dǎo)滲透脅迫通過(guò)降低外部水勢(shì)而不改變離子組成，有效地模擬了干旱條件。通過(guò)水培系統(tǒng)進(jìn)行的根系表型分析，隨后在國(guó)際玉米小麥改良中心（CIMMYT）的管理脅迫方案下進(jìn)行了田間驗(yàn)證。水培和田間排名之間的近乎完美的相關(guān)性表明，水培可以作為一種可靠、經(jīng)濟(jì)高效的第一級(jí)選擇，通過(guò)在田間評(píng)估之前識(shí)別有希望的供體來(lái)縮短育種周期。
來(lái)自根系表型分析和田間評(píng)估的方差分析（ANOVA）綜合結(jié)果，為水分虧缺脅迫（WDS）下玉米根和產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳變異性提供了有力證據(jù)。在兩個(gè)平臺(tái)上觀察到的極顯著的基因型效應(yīng)，突顯了可利用的顯著遺傳多樣性，可用于開發(fā)耐旱品種。顯著的基因型×性狀互作進(jìn)一步表明，基因型在不同性狀間表達(dá)出差異化的適應(yīng)策略，反映了干旱響應(yīng)機(jī)制的復(fù)雜性。重復(fù)效應(yīng)不顯著表明實(shí)驗(yàn)精度高，結(jié)果可靠，支持了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。可塑性，涉及在脅迫下減少側(cè)枝分支但細(xì)根伸長(zhǎng)，這與在節(jié)約能量的同時(shí)增強(qiáng)土壤探索的適應(yīng)策略是一致的。更廣泛的根系能夠在關(guān)鍵的繁殖階段持續(xù)吸收水分和養(yǎng)分，從而保護(hù)花粉活力、吐絲和籽粒灌漿等過(guò)程。在玉米中，開花期間植物水分狀況的維持與縮短的開花-吐絲間隔期（ASI）、改善的結(jié)籽率和更高的最終谷物產(chǎn)量直接相關(guān)。多變量分析進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了根系活力、冠層綠度和繁殖效率之間的協(xié)同作用，將地下恢復(fù)力與地上穩(wěn)定性結(jié)合起來(lái)。
供體鑒定是本研究的另一個(gè)主要成果。在評(píng)估的50個(gè)自交系中，ILM23和ILM24始終作為核心供體資源出現(xiàn)，它們結(jié)合了活躍的根系（高RT、TL和Seg）、穩(wěn)定的ASI和在脅迫下優(yōu)異的谷物產(chǎn)量。PML1249、PML1275和PML1285作為次要但有價(jià)值的供體來(lái)源，拓寬了適應(yīng)性性狀的儲(chǔ)備。總之，這五個(gè)基因型形成了一個(gè)強(qiáng)大的WDS恢復(fù)力供體庫(kù)，為針對(duì)高水分利用效率（WUE）和耐脅迫玉米雜交種的育種計(jì)劃提供了即時(shí)價(jià)值。在本研究中，表現(xiàn)出更長(zhǎng)根長(zhǎng)和更高根尖數(shù)的基因型在脅迫下也保持了相對(duì)穩(wěn)定的NDVI值，表明冠層綠度持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，光合活動(dòng)持續(xù)。這反過(guò)來(lái)確保了向發(fā)育中籽粒的持續(xù)同化物供應(yīng)，減輕了干旱對(duì)籽粒灌漿的負(fù)面影響。因此，根和地上部的綜合恢復(fù)力為耐逆自交系（如ILM23和ILM24）在WDS下的優(yōu)異產(chǎn)量表現(xiàn)提供了機(jī)制性解釋。ILM23和ILM24的遺傳譜系，通過(guò)將主要WDS-QTL標(biāo)記輔助滲入到不同的雜種優(yōu)勢(shì)群中而培育，進(jìn)一步加強(qiáng)了其實(shí)用性。它們的互補(bǔ)背景和有利的脅迫耐受指數(shù)突出了它們?cè)谖磥?lái)雜交種開發(fā)中的戰(zhàn)略作用。
結(jié)論
本研究表明，整合水培和田間平臺(tái)為篩選水分虧缺脅迫下的玉米提供了一個(gè)精確而高效的框架。根性狀與田間表現(xiàn)之間的強(qiáng)一致性，突顯了水培表型分析作為加速培育具有恢復(fù)力、高產(chǎn)量的品種的可靠第一級(jí)工具。該方法提供了一種快速、高效且經(jīng)濟(jì)有效的框架，用于早期鑒定耐WDS或高水分利用效率（WUE）的玉米雜交種，有助于加速培育具有恢復(fù)力的品種。
