芥菜根系构型对磷水平变化的响应机制及全基因组关联分析揭示磷利用效率关键基因

为解决低磷胁迫下作物生产力下降问题，Priyanka Upadhyay等研究人员通过全基因组关联分析(GWAS)研究了280个芥菜(Brassica juncea)基因型在三种磷水平(LP/NP/HP)下的根系构型(RSA)变异。研究发现LPR2、PAH2等30个关键基因通过激素信号和磷酸酶活性调控磷利用效率(PUE)，为培育磷高效作物提供了分子靶点。

　　

磷是植物生长发育不可或缺的宏量元素，但土壤中有效磷(Pi)常因固定作用而严重不足。据统计，全球约30-80%的磷会与阳离子结合形成难溶性复合物，导致作物面临"磷饥饿"困境。传统解决方案是增施磷肥，但这不仅加剧磷矿资源枯竭，还会引发水体富营养化。面对这一挑战，植物进化出精巧的适应机制——通过重塑根系构型(Root System Architecture, RSA)来增强磷获取能力，但相关遗传基础在重要油料作物芥菜中仍不清楚。

印度农业研究理事会的研究人员选取280份芥菜种质，在水培系统中设置低磷(5μM)、正常磷(250μM)和高磷(1mM)三种处理，采用WinRhizo系统量化根长(RL)、根表面积(RSA)等7个根系性状。通过全基因组关联分析(GWAS)结合RNA测序，揭示了磷响应性根系发育的遗传调控网络。研究发现磷缺乏会显著促进根系生长，高效基因型RH-749在低磷下根长增加37%，并鉴定出KDM-49-1等6个兼具磷高效和响应性的优异种质。

研究采用GBS技术获得372,285个高质量SNP标记，运用MLMM/BLINK模型进行关联分析，设置-log₁₀(p)≥3的显著性阈值。通过Blast2GO注释候选基因，并选取极端表型材料进行转录组验证。关键发现包括：1) 在A/B基因组定位30个QTL，其中A09染色体热点区域含IPK1和PAH2基因；2) 鉴定到LPR2-PDR2通路基因控制低磷下的根体积(RV)变异；3) 激素相关基因LAX3(生长素)和LOG7(细胞分裂素)调控高磷下的根直径(RAD)；4) RNA-seq证实21个候选基因在高效基因型中差异表达。

在根系构型调控机制方面，研究揭示了多层次的适应策略：低磷条件下，STOP1-ALMT1通路促进苹果酸分泌，同时LPR2介导的活性氧(ROS)积累抑制主根伸长但促进侧根发生；酸性磷酸酶基因PAH2和PAP28参与膜脂重塑释放磷元素；激素信号枢纽TIR1通过降解AUX/IAA蛋白激活生长素响应因子。这些发现为理解"磷饥饿响应(PSR)"提供了新视角。

该研究首次系统解析了芥菜根系构型对磷梯度的响应机制，建立的SNP标记可用于分子标记辅助选择。特别值得注意的是，鉴定的G6PD5和PLGG1基因通过拮抗调控ABA信号来平衡侧根发育，这种"阴阳调控"模式为作物遗传改良提供了新思路。论文发表在《BMC Genomics》为磷高效育种提供了理论依据和基因资源，对可持续农业发展具有重要意义。