《The Plant Phenome Journal》：Root trait dynamics of historical canola varieties under low and high nitrogen supply
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本研究通过水培系统分析了1936至2017年间培育的23个历史性甘蓝型油菜（Brassica napus L.）基因型及一个白菜型油菜（Brassica rapa L.）基因型在高低硝酸盐供应下的根系系统构型（RSA）动态。结果表明，氮限制显著改变RSA，增加初生根和侧根长度及总根面积，但降低侧根密度；商业杂交种（CH）在最优氮条件下多数性状值更高，而开放授粉（OP）品种在低氮下表现出更强的性状可塑性。研究鉴定出总根长（TRL）、初生根长（PRL）和凸包面积（CHull）等可遗传性状作为改良氮素利用效率（NUE）的有前景选择靶点，为养分受限环境下培育高产可持续油菜品种提供了关键根系性状依据。
引言
氮（N）是植物生长和发育的必需营养元素，在光合作用、蛋白质合成和细胞分裂等过程中起着关键作用。然而，氮肥利用效率低是作物生产中的主要问题，因此提高氮素利用效率（NUE）对于在不影响产量的情况下减少肥料依赖至关重要。根系系统构型（RSA）是养分获取的关键决定因素，尤其在养分受限条件下。本研究旨在表征23个具有历史意义的甘蓝型油菜（Brassica napus L.）基因型和一个白菜型油菜（Brassica rapa L.）基因型（时间跨度为1936年至2017年，包括开放授粉（OP）和商业杂交种（CH））的RSA性状及其对氮有效性的响应。
材料与方法
植物材料与生长条件
研究使用了24个基因型——1个白菜型油菜和23个甘蓝型油菜，这些品种注册于1936年至2017年之间，包括15个OP和9个CH。实验在加拿大萨斯卡通AAFC的受控温室设施中进行水培研究。种子经过表面消毒和萌发后，将均匀萌发的幼苗转移到含有高硝酸盐（HN, 10 mM）或低硝酸盐（LN, 0.5 mM）营养液的稳态水培系统中。在转移后第7天（DAT）、14天和21天进行非破坏性根系成像和性状测量。
根系成像、图像分割与数据分析
使用RootNav V.1.8软件从根系图像中半自动提取性状，并计算相关参数，如侧根密度（LRD）和比根长（SRL）等。通过方差分析（ANOVA）、主成分分析（PCA）、相关性分析和随机森林回归等方法分析数据，并计算性状可塑性和广义遗传力（h2）。
结果
氮水平对根系性状的影响
氮限制显著改变了RSA。与HN条件相比，LN条件下的植株表现出更长的初生根长度（PRL）、总根长度（TRL）、平均侧根长度（AvLRL）和总侧根长度（TLRL），更宽的根系（最大宽度MW和宽深比WDR）以及更大的凸包面积（CHull）。然而，侧根密度（LRD）在LN条件下降低。至21 DAT，LN条件下的植株真叶数（NTL）、地上部干重（SDW）和根干重（RDW）均显著降低，但根冠干重比（RSDWR）升高。方差分析表明，基因型和氮处理对大多数性状在三个时间点均有显著影响。
侧根性状对整体根系生长的贡献
对7 DAT到14 DAT关键性状相对生长率（k）的分析表明，与侧根相关的性状（如AvLRL、TLRL）以及CHull和MW表现出最高的生长速率，而PRL和最大深度（MD）的增长相对较慢。这表明在7至14 DAT期间，根系总长度的增加主要归因于侧根的快速增殖和伸长。
开放授粉油菜表现出比商业杂交种更强的可塑性
性状可塑性分析显示，在7 DAT和14 DAT，OP品种组在多数性状上表现出比CH品种组更高的可塑性。凸包面积（CHull）是塑性最强的性状，而侧根密度（LRD）则表现出最强的负可塑性。这表明OP基因型在低氮胁迫下具有更强的形态适应性。
性状遗传力及其相关性
广义遗传力分析显示，许多根系性状，如PRL、TRL、CHull和TLRL，在7 DAT和14 DAT均表现出较高的遗传力（h2> 70%），表明这些性状受较强的遗传控制，有利于育种选择。相关性分析揭示了不同性状间的复杂关系，例如TRL与CHull呈强正相关，而LRD与顶端初生根长度（ApPRL）呈负相关。
主成分分析
主成分分析（PCA）显示，在7 DAT和14 DAT，前两个主成分（Dim1和Dim2）解释了大部分方差（约70-89%）。TRL、TLRL、CHull和PRL等性状与Dim1呈强正相关，并且商业杂交种（CH）基因型，如InVigor L252，在这些性状上通常具有更高的值，将相关性状向量推向更高值的方向，从而在PCA图中与开放授粉（OP）基因型在一定程度上区分开。然而，到21 DAT时，PCA无法清晰区分OP和CH组。
关键性状的相对重要性排序
随机森林分析确定了在不同氮水平和时间点下最重要的性状。在7 DAT和14 DAT，总根长（TRL）、总侧根长（TLRL）、初生根长（PRL）和凸包面积（CHull） consistently ranked among the top five most important traits for both HN and LN conditions。这表明这些性状对于区分基因型对氮供应的响应至关重要。到21 DAT，地上部干重（SDW）和根干重（RDW）成为最重要的性状。基于10个关键性状的层次聚类分析显示，在7 DAT时，基因型大致按OP和CH分组，但到14 DAT时，这种分组变得不那么明显。
讨论
本研究利用非侵入性成像技术，详细评估了在不同氮水平下历史性甘蓝型油菜基因型根系性状的变异。研究结果证实氮限制对根系和地上部发育具有显著且一致的影响。观察到的在低氮条件下侧根网络的增强是一种公认的适应机制，有助于改善土壤探索和养分获取。商业杂交种（CH）在最优（高氮）条件下表现出优越的性状值，而开放授粉（OP）品种在低氮胁迫下表现出更强的可塑性，这突显了它们在适应性方面的差异。鉴定出的高遗传力性状，如PRL、TRL和CHull area，为油菜育种中提高氮素利用效率（NUE）提供了有前景的选择靶点。未来的育种策略可以整合这些性状，以开发在可变养分环境下能够保持生产力的基因型，从而在产量优化与资源利用效率及抗逆性之间取得平衡。然而，需要在田间试验中进一步验证这些根系构型（RSA）性状在真实农业环境下的表现和基因型与环境互作效应。
