根系结构 (root system architecture, RSA) 是植物对环境的适应性和抗逆性的重要影响因素之一。在干旱和盐碱等逆境条件下，适当的RSA有利于植物更好地适应环境，提高抗逆性。紫花苜蓿是多年生豆科牧草，具有产草量高、营养价值丰富、适口性好、适应性强等特点，素有“牧草之王”之美誉，是全球分布最广，种植面积最大的高蛋白优质饲草。紫花苜蓿的根系主要是直根型，主根粗壮入土深，侧根和根毛发达可有效吸收土壤中的养分和水分，并且具有根瘤能够固定空气中的氮，不仅为自身生长提供养分，同时可以改善土壤结构，培肥地力。然而，关于紫花苜蓿根系结构及其发育的遗传机制尚未明确。因此，苜蓿根系结构的解剖为培育高产、抗逆苜蓿新品种提供理论指导，为保障草种业安全和促进草食畜牧业高质量发展提供技术支撑。
2025年1月，Horticulture Research在线发表了中国农业科学院北京畜牧兽医研究所饲草育种与栽培创新团队题为The whole-genome dissection of root system architecture provides new insights for the genetic improvement of alfalfa (Medicago sativa L.)的研究论文，为苜蓿根系结构的深入研究提供理论参考。
该研究对苜蓿核心种质的六个 RSA 性状进行评估，分析发现栽培品种与地方品种比较根干重（RDW）增加而根长（RL）缩短，但差异不显著。通过对6个RSA性状与5个产量相关性状进行相关性分析，结果发现在正常浇水与干旱处理下，RDW与饲草干重（DW）显著正相关，而RL与DW显著负相关。上述结果表明，在苜蓿育种过程中，育种家对产量的选择间接影响到地下根系表型，选择的结果倾向于植株根系更为发达。
结合SNP标记对6个RSA性状进行GWAS分析，定位了 60 个显著关联的 SNP 位点，分析发现这些位点上下游 50 kb 范围内的基因主要在根系发育、激素合成和信号传导以及形态发育相关的 GO 条目中富集，其中有 19 个高置信度的候选基因，包括AUXIN RESPONSE FACTORs，LATERAL ORGAN BOUNDARIES-DOMAIN和WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX 等。
图1 GWAS 鉴定苜蓿根系性状变异的候选基因
为了进一步验证这些 SNP 在苜蓿育种中的应用潜力，我们计算了有利单倍型数量与饲草产量的关系。在正常浇水条件下，饲草产量不同的苜蓿材料中RSA相关的有利单倍型数量表现出显著的差异，有利单倍型数量随着产量的增加而增加，表明高产苜蓿材料中积累了更多RSA性状的有利单倍型。同时在干旱条件下也观察到了类似的结果。结果分析表明，本研究鉴定的RSA性状相关标记在苜蓿育种中具有较大的应用潜力。
由于苜蓿根系在土壤中，在品种选育过程中对根系的选择面临高度的不确定性和选择的低效性等问题。为解决这一难题，该研究将显著关联的SNP标记结合机器学习模型进行全基因组预测（GP），利用所有标记进行预测时，预测准确性在0.11~0.18之间，而结合表型相关标记进行预测可将准确性提高到0.7~0.8之间。这一结果为实现紫花苜蓿根系性状的高效选择提供了有利依据。
图2 六种机器学习模型在6个RSA相关性状中的预测准确性
中国农业科学院北京畜牧兽医研究所博士生蒋学乾和硕士生曾祥翠为论文第一作者，中国农业科学院北京畜牧兽医研究所康俊梅研究员和杨青川研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2022YFF1003203）、宁夏重点研发计划（2022BBF02029）和中国农业科学院科技创新工程（ASTIP-IAS14）的资助。
Hortic Res | 兰州大学刘志鹏团队构建紫花苜蓿多组学数据库MODMS
https://doi.org/10.1093/hr/uhae266
Hortic Res | 石河子大学李鸿彬/孟状团队在苜蓿自然染色体畸变倾向性方面取得新进展
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南京农业大学英文期刊
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