综述：基因组辅助育种策略提升谷物养分吸收与利用效率的研究进展：通向可持续农业之路

这篇综述系统阐述了基因组辅助育种(GAB)技术在提高主要谷物(水稻、小麦、玉米)养分吸收效率(NU)和利用效率(NutrUE)中的应用进展，重点探讨了QTL定位、GWAS分析、GS选择和CRISPR/Cas9等现代育种工具在解析N、P、Fe、Zn等营养元素转运机制中的作用，并展望了整合多组学和高通量表型组学(HTP/HTG)的未来发展方向。

　　

基因组辅助育种策略提升谷物养分利用效率

1. 1.

   引言

   全球气候变化和人口增长对作物养分利用效率提出更高要求。水稻、小麦和玉米作为主要粮食作物，其产量常受限于N、P、Fe、Zn等养分的低效吸收。现代育种技术正通过解析根系构型(RSA)、转运蛋白和微生物互作等机制，推动养分高效型品种选育。

2. 2.

   植物育种在养分吸收中的作用

   传统育种侧重高产而忽视养分效率，导致肥料利用率低下。研究表明，谷物种质资源中存在显著的养分吸收遗传变异。通过QTL定位已在小麦中发现Gpc-B1等控制籽粒蛋白含量的位点，水稻DNR1自然变异可提高氮利用效率(NUE)。

3. 3.

   参与养分吸收的生化因子

   根系分泌物(如柠檬酸、麦根酸)通过螯合作用活化土壤养分。关键转运蛋白家族包括：

   • •

     N吸收：NRT/AMT家族

   • •

     P吸收：PHT家族

   • •

     K吸收：HAK/KUP家族

   • •

     Fe/Zn吸收：YSL和ZIP家族

     植物激素(生长素、细胞分裂素)通过调控根系发育影响养分获取，而NO和ROS作为信号分子参与胁迫响应。

4. 4.

   谷物养分吸收的分子机制

   水稻采用双策略吸收Fe：淹水条件下通过FRO和IRT基因吸收Fe²⁺，旱作条件下依赖OsYSL15转运Fe³⁺-植物铁载体复合物。磷高效基因Pup1通过OsPSTOL1增强根系生长，使其在低磷土壤中增产20-30%。

5. 5.

   高通量表型与基因型分析

   先进成像技术(MRI、X射线CT)实现根系3D建模，无人机多光谱成像可评估冠层氮素状况。研究显示，结合RGB指数和机器学习算法，对小麦氮效率的预测精度达R²=0.94。

6. 6.

   基因组选择与多组学整合

   GS模型将预测准确率提高12%，微生物组数据使玉米低氮条件下的性状预测提升40%。整合转录组和代谢组发现，水稻OsNRT2.1表达与硝酸盐可利用性显著相关，而OsNAS2过表达使籽粒Zn含量提高3倍。

7. 7.

   CRISPR/Cas9精准编辑

   基因编辑技术成功创制了：

   • •

     水稻OsNAS2启动子编辑系：籽粒Zn含量提升1.8倍

   • •

     小麦TaARE1突变体：氮利用效率提高15%

   • •

     玉米ZmNRT2.1敲除系：改变硝酸盐转运特性

8. 8.

   挑战与展望

   当前面临多基因调控复杂、表型-基因型关联准确性不足等挑战。未来需建立标准化HTP平台，开发跨组学数据库，并通过基因编辑与常规育种结合，培育适应气候变化的新品种。该领域发展将为可持续农业提供关键技术支持。