探索植物复杂性状中的基因型与表型联系是植物学和遗传学的核心任务。随着表型组学技术的发展，特别是功能性生理表型（FPP）技术的进步，科学家们能够迅速且大规模地收集植物生理和环境数据。但是，这些数据的动态性很高，受环境和发育阶段的影响很大，使得我们对这些数据的解读能力远远落后于数据的获取速度。
2024年12月，中国计量大学徐沛领导的团队在《Horticulture Research》上发表了一篇题为“Converging functional phenotyping with systems mapping to illuminate the genotype–phenotype associations”的前瞻性论文。文章提出了一种整合环境、表型和基因型的方法，旨在应对解析生理性状的挑战，并通过高通量功能生理表型平台获取数据，利用功能性作图（FM）和系统作图（SM）分析动态复杂的性状，推动表型大数据在遗传增益中的应用。具体内容包括：
FPP-FM作为一种解决正向遗传学中性状动态性问题的有效工具。FPP是一种基于生理的、高通量且非破坏性的表型评估方法，但在实际应用中，往往难以揭示背后的遗传网络和分子通路。将FM与FPP结合，为研究提供了一个系统性框架，能够将基于时间序列的生理性状数据拟合成具有生物学意义的曲线，并利用统计模型映射控制复杂动态性状的基因。这种方法在解析数量性状位点（QTLs）的时空效应方面，尤其是多阶段生理数据的分析中，展现出明显的优势。
FPP和SM可以有效解决复杂性状解析的难题。在环境变化过程中，植物的多种生理过程不仅表现出显著的动态性，还相互交织形成一个复杂的系统。尽管FPP-FM方法体现了从静态性状映射到动态性状映射的重大进展，但在处理复杂多因素性状时仍显不足。SM将复杂性状视为由常微分方程（ODEs）连接的交互组件组成的动态系统，成功分析了生物量增长等复杂植物性状，并揭示了不同组件之间的动态交互。FPP与SM相结合，能够同时分解诸多与发育和环境相关的组分，解析其相互作用。
文章还提供了一个环境-表型-基因型功能方法的分析示例。作者使用基于蒸渗原理的功能表型平台收集了32个不同基因型豇豆品种在土壤渐进式干旱胁迫下的蒸腾速率（TR）和土壤水分含量（VWC）的数据，通过构建一个基于常微分方程的系统模拟TR和VWC随时间的变化，揭示了两个性状之间的动态相互作用。研究观察到，在干旱胁迫的最初阶段，蒸腾速率不降反增，直到土壤含水量下降到一定程度，蒸腾速率才逆转为下降并持续下去。通过全基因组SNPs标记扫描，鉴定了影响VWC和TR之间相互作用的24个显著SNPs，进一步证明了耦合FPP和SM在解析复杂性状和揭示植物适应性策略中的潜力。
总体而言，作者提出了一种集成环境-表型-基因型的分析方法，将功能生理表型与功能性作图及其衍生的更全面的系统作图结合起来，有力破译植物复杂生理性状背后的遗传机制。
数据及代码：https://github.com/suntingsd/System-mapping
文章链接：https://doi.org/10.1093/hr/uhae256
