根系构型(Root system architecture, RSA)指的是植物根系在其生长介质中的生长与分布，包括根系长度、根系分支和根系生物量等，直接影响着植物的水分和养分吸收能力，对生物量的形成具有重要作用。苜蓿(Medicago sativa L.)为多年生草本植物，可以用制干草、青贮饲料或用作牧草。根是苜蓿储存碳水化合物的重要器官，能够为苜蓿收割后的再生提供充足能量。已有研究表明，增加苜蓿根的分枝和须根数量可以显著增加苜蓿产量。然而，提取成熟苜蓿植株的根系表型不但耗时耗力，而且容易受到环境和人为因素的干扰。因此，急需一种高效高通量的根系表型提取方法，用于筛选可适应不同环境的苜蓿根系构型，开发苜蓿种质资源，提高苜蓿产量。本研究提出了一种根系表型提取方法，能够有效提取出14天大的苜蓿幼苗的根系表型特征，可以用于识别具有高度遗传性的苜蓿根性状，并对比不同植株的根系构型。

　　本研究利用无土混合物分别培育了两个不同的苜蓿植株群体(UMN3233, UMN3234)，然后用扫描仪对根系成像(图1)，并使用WinRhizo 软件测量根的表型特征。实验结果显示，与主根植株(UMN3234)相比，分枝根植株(UMN3233)的三级根数量更多且长度更长。此外，分枝根植株比主根植株拥有更多长度大于2.5cm的次生根(图2)。随机森林和梯度提升机两种机器学习的分析结果均表明，大于2.5cm的次生根是分枝根和主根植株之间的主要表型差异，利用该表型特征能够有效区分主根和分枝根这两种不同的根系构型(图3)。区分不同苜蓿幼苗的根系类型后，选择具有主根构型和分枝根构型的植株进行杂交，可以获取10%的遗传增益，该结果与利用22天大的成熟苜蓿植株获取的结果一致。同时，对不同根系构型参数的遗传力分析结果表明，三级根的长度和数量均具有高度遗传性，分别为 0.74 和 0.79。

　　因此，提取幼苗的根系表型特征是苜蓿种质资源选择和育种的有效工具。本研究结果显示，筛选苜蓿幼苗的根系构型可以显著加快育种进程。

　　图1 14天大的苜蓿植株的根系扫描影像

　　图2 分枝根 (UMN3233) 和主根 (UMN3234)苜蓿植株的平均根长和平均根数

　　图3分枝根 (UMN3233) 和主根 (UMN3234)苜蓿植株在幼苗阶段(种植后 14 天)的次生根长度

　　来源：Bruna Bucciarelli, Zhanyou Xu, Samadangla Ao, et al. Phenotyping seedlings for selection of root system architecture in alfalfa (Medicago sativa L.). Plant Methods, 2021, 17(125).

　　编辑：段博