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Dongxue Zhao 博士和 QAAFI 的“Root mobile”在昆士兰州达令唐斯的一个农场的田间制作 3D 根活动图。
照片：Daniel Rodriguez 教授

 

表型工具的新发展揭示了作物根系和产量之间更精细的动态相互作用，这可能会提高生产力和干旱。

鉴于澳大利亚的粮食生产主要受到水资源供应的限制，人们对根系知之甚少，这是相当令人困惑的，根系是获取土壤水分和养分的最关键植物器官。

 

根系的结构、解剖结构和功能为谷物行业的作物改良和生产力提高提供了尚未开发的机会。

 

然而，根性状很难测量，而且田间缺乏快速、廉价、准确和功能性的根表型分析方法，限制了育种、农学和精准农业开发有价值的性状和产品的能力。

 

我们确实知道作物的遗传背景和环境（土壤、气候、管理）相互作用，以改变根系系统的结构或根系表型。然而，关于根结构的研究很少能够将这些差异与有价值的信息联系起来，例如根功能的差异——从而对田间产量或产量稳定性的影响。

 

缺乏成功是由于对根型、根功能和粮食产量之间关系的复杂性和有限的理解。一个主要的瓶颈是，作物地下部分的表征费力、昂贵且容易出现较大误差，因为通常只能对生根系统的有限部分进行采样。

 

根系研究通常是通过在花盆、根室或管中种植单株植物，或从田间破坏性提取含有根的土壤样品来完成的。另一个问题是，研究似乎顽固地专注于试图可视化根结构，而忽略了根形式和根功能之间相当微弱且高度可变的关系。

 

此外，这些方法的主要关注点仅限于测量特征的平均值，例如，生根深度。这忽略了这样一个事实，即根系对环境高度敏感，并且不同的基因型在压力下表现出不同的适应环境的能力。

 

为了缓解这一瓶颈，由昆士兰大学昆士兰农业和食品创新联盟 （QAAFI） 领导的 GRDC 投资的新项目正在提供根系表型工具，以实现有价值的作物根系结构和功能性状的非破坏性测量，准确性、成本效益或吞吐量比当前方法至少高 15%。

 

该项目汇集了来自 QAAFI、昆士兰大学、西澳大利亚初级产业研究与发展部 （DPIRD）、CSIRO 和德国莱布尼茨植物遗传学和作物植物研究所 （IPK） 的国内和国际研究人员组成的多学科团队，与种子公司（澳大利亚先锋种子、太平洋种子、 Australian Grain Technologies 和 LongReach Plant Breeders）以及数字和精准农业服务提供商（Airborn Insight 和 DataFarming）共同为行业和种植者提供可行的解决方案。

 

该项目还将通过培训研究生和博士后科学家使用这些新方法在高度对比的环境中检查功能性作物生根性状，从而为澳大利亚工业建立能力。

 

新颖的方法

该项目的方法是将新的、功能性的高通量表型工具与应用于预育种计划和商业种子公司的性状管道方法相结合，同时开发筛选方法并评估相关种质中的宝贵性状。还将探索农学和精准农业的应用。

 

在我们的方法中，我们将延时电磁感应 （EMI） 调查、无人机图像、作物生态生理学原理和机器学习技术相结合，以构建土壤剖面中根系生长和活动的 2D 和 3D 表示。

 

这些方法是在 GRDC 项目“优化北部谷物地区的高粱农艺学”中开发的，并应用于绘制另一个 GRDC 投资项目中种植者围场的植物可用水容量。

 

图 1：QAAFI 在高粱试验中应用的生根系统高通量功能表型
 

资料来源：昆士兰大学的 Dongxue Zhao
 

原则上，在行之间的土壤上拖动 EMI 单元（图 1）以得出土壤剖面中作物用水的 3D 地图，该地图与无人机图像和 APSIM 建模一起用于计算每个土壤层的“根系活动”指数，直至最大生根深度。

 

我们已经表明，根系活性的这一指数与重要的根系性状高度相关，例如在各种环境条件下土壤剖面中的根长密度程度——通过土壤取芯获得（图 2）。重要的是，我们的结果还表明，商业高粱杂交种之间根系性状的差异与产量和产量稳定性的差异有关。

 

图 2：昆士兰州 Nangwee 在雨养、补充灌溉和三次播种（早、春和夏）下生长的高粱品种 MR Buster 在土壤剖面中由 EMI 衍生的根系活性因子（R：y 轴）和根长密度（RLD：x 轴）之间的关系。点的大小表示土壤层。

 

来源：Dongxue Zhao，QAAFI
 

我们在田间进行高通量功能性根表型分析的方法快速、廉价且准确，当应用于对比鲜明的生长环境时，不仅允许研究人员评估根性状的平均值，还可以评估其响应环境条件或管理实践变化的可变性（换句话说，可塑性），例如植物密度， 行配置、施肥、土壤改良或灌溉。

 

这是田间根表型分析方法首次使我们能够解释作物产量、产量成分及其稳定性的变化，为克服目前谷物中用于育种和农学的根表型瓶颈提供了机会。

 

对这些新传感技术的验证，以及与德国 IPK 的根解剖学专家的合作，将为进一步研究感兴趣的地下作物根系性状提供机会，以提高作物性能，例如最大生根深度、根系向前推进的速度、浅水到深水利用、根系导水率和根解剖学性状。