玉米維管系統(tǒng)表型高通量解析與多組學(xué)研究進(jìn)展

周國靚，郭新宇，郭尚敬，張 穎

(1.聊城大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山東聊城 252000；2.北京市農(nóng)林科學(xué)院信息技術(shù)研究中心，北京 100097；3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；4.數(shù)字植物北京市重點實驗室，北京 100097)

21世紀(jì)以來，世界人口快速增長、氣候等環(huán)境條件不斷變化以及生物能源技術(shù)發(fā)展等因素，對作物增產(chǎn)提出了更高的要求，同時也給作物育種和作物基因改良帶來新的挑戰(zhàn)。近幾年隨著基因測序技術(shù)的飛速發(fā)展，水稻、玉米、小麥、大麥等我國主要農(nóng)作物測序已經(jīng)完成，在獲得海量作物基因組學(xué)信息的基礎(chǔ)上，如何高分辨、高效、深入解析基因功能、表型及環(huán)境響應(yīng)三者的相互作用機(jī)理已成為一個全新的挑戰(zhàn)。與飛速發(fā)展的基因組技術(shù)相比，表型分析已成為理解復(fù)雜性狀遺傳基礎(chǔ)的瓶頸[1-2]。為了打破這一瓶頸并提高分子育種的效率，迫切需要可靠、自動和高通量的表型技術(shù)，為育種學(xué)家提供新的見解，以選擇適應(yīng)資源短缺和全球氣候變化的新品種。作物表型極其復(fù)雜，是基因型(G)與多種環(huán)境型(E)相互作用的結(jié)果[3]。這種相互作用不僅影響以細(xì)胞、組織、器官和植株水平上的結(jié)構(gòu)性狀衡量的作物生長發(fā)育過程，而且還影響以生理性狀衡量的植物功能。作物表型獲取可分為高通量、低分辨率的可見表型和低通量、高分辨率的深度表型[4]。目前，作物表型組學(xué)研究主要集中在檢測基于群體、植株及器官水平的有限的目標(biāo)性狀(target traits)方面，而并非進(jìn)行從細(xì)胞到植株的全表型組性狀分析。相對于群體、植株及器官水平表型信息獲取技術(shù)的迅速發(fā)展，基于組織、細(xì)胞水平的植物微觀表型信息獲取的研究相對滯后[5]。基于國際植物表型組織(IPPN)的3次問卷調(diào)查(2014—2018年)及Yang等的分析，未來表型技術(shù)發(fā)展將呈現(xiàn)地上表型至地下表型、宏觀表型至微觀表型、物理表型至生理表型、靜態(tài)表型至動態(tài)表型的深層表型技術(shù)發(fā)展趨勢[6]。因此，發(fā)展作物基于細(xì)胞、組織水平的深度表型精準(zhǔn)提取和分析研究，可為玉米農(nóng)藝學(xué)家和育種學(xué)家提供更為豐富和全面的表型信息，并為玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)表型性狀和特征值篩選與品種鑒定提供技術(shù)支撐。

流是作物源庫的連接通道，是植株水分、物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)鍵輸導(dǎo)組織。維管束作為作物流系統(tǒng)的重要組成部分，其分布模式及微觀結(jié)構(gòu)特征直接影響到作物的水分利用效率和光合生產(chǎn)能力，進(jìn)而對作物產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響。目前玉米高產(chǎn)和超高產(chǎn)栽培多選用緊湊型品種，關(guān)于緊湊型品種的群體光合特性及穗粒庫容建成已有了較多的研究，表明緊湊型品種高產(chǎn)的原因在于其源足庫大，但對于流這一環(huán)節(jié)在產(chǎn)量形成中的作用研究較少。隨著計算機(jī)圖像分析技術(shù)和顯微成像技術(shù)的發(fā)展，以表型組學(xué)為切入點，基于圖像的植物顯微表型信息提取的技術(shù)方法不斷創(chuàng)新，將大大提高作物維管束顯微表型指標(biāo)的檢測效率與精度，為深度探究玉米維管束的生理功能和調(diào)控機(jī)理、建立高產(chǎn)高效優(yōu)質(zhì)作物生產(chǎn)體系奠定堅實基礎(chǔ)。本文將系統(tǒng)概述玉米根、莖、葉和果穗的維管束表型特征，以及維管系統(tǒng)的功能；探討維管系統(tǒng)表型的定義與內(nèi)涵；總結(jié)近年來國內(nèi)外維管組織表型高通量獲取方法以及基于組學(xué)的維管系統(tǒng)表型、基因型關(guān)聯(lián)組學(xué)分析研究進(jìn)展；最后對玉米維管束系統(tǒng)研究面臨的挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行討論，以期為高效、精準(zhǔn)、系統(tǒng)地研究玉米維管系統(tǒng)提供有益參考。

1 維管系統(tǒng)表型特征分析

維管系統(tǒng)是玉米水分和物質(zhì)運輸?shù)母删€，擔(dān)負(fù)著體內(nèi)物質(zhì)代謝的交換功能，是植物體的生命線。玉米維管束通常是由木質(zhì)部和韌皮部成束狀排列組成的結(jié)構(gòu)，主要存在于玉米根系、莖稈、葉片、穗柄及穗軸中。早期研究主要是借助顯微觀測技術(shù)獲取器官內(nèi)部組織的局部顯微圖像，進(jìn)而分析其形態(tài)結(jié)構(gòu)與生理功能之間的關(guān)系，通常以低效的人工檢測為主，其研究主要集中在根、莖、葉、果穗4個部分。

1.1 根系維管束表型特征分析

玉米根系由表皮、皮層、中柱3個部分組成。表皮為最外一層細(xì)胞；皮層為表皮以內(nèi)、中柱鞘以外的部分；中柱為皮層以內(nèi)的部分。中柱由中柱鞘、維管束和髓組成，其中維管束由木質(zhì)部和韌皮部組成。玉米根系外部組織(即表皮和皮層)與中柱的維管組織形成明顯的同心圓結(jié)構(gòu)(圖1-A)。關(guān)于根系維管束表型特征的研究，通常制作根系石蠟切片或冷凍切片結(jié)合顯微成像技術(shù)、電鏡掃描技術(shù)和激光消融斷層掃描等技術(shù)探究根系維管束的解剖特征，進(jìn)而分析不同環(huán)境因子，如施肥、水分、種植密度等對維管束結(jié)構(gòu)的影響[7-10]。唐連順等通過徒手切片和顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)稀土化合物能促進(jìn)玉米幼根維管束數(shù)目增多[11]。劉勝群等利用傳統(tǒng)的切片方法研究玉米根的解剖結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，隨著次生根輪次增加導(dǎo)管數(shù)目逐步增多，推測根系導(dǎo)管數(shù)目增加可促進(jìn)根系水分的運輸能力從而促進(jìn)植株生長發(fā)育[12]。王庭梁等研究表明，玉米根系隨著密度的增加，根系數(shù)目顯著減少，根系中柱總直徑顯著減小，木質(zhì)部導(dǎo)管總數(shù)、導(dǎo)管直徑、韌皮部總橫截面積顯著降低[13-14]。

1.2 莖維管束表型特征分析

莖稈是玉米植株的中軸，連接地上部分與地下部分器官的樞紐，莖由節(jié)和節(jié)間2個部分組成，其內(nèi)部組織由表皮、基本組織和維管束構(gòu)成(圖1-B)。在基本組織中，縱向散生著許多柱狀的維管束；近表皮處維管束數(shù)目較莖稈中心部位多。莖稈維管束上下貫穿，節(jié)間維管束的結(jié)構(gòu)比較清晰，而莖節(jié)維管束結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在莖節(jié)內(nèi)有的先橫穿后再傾斜進(jìn)入節(jié)間，有的在節(jié)內(nèi)形成多級分支，相互連接，形成網(wǎng)狀管道。Shane等研究玉米莖稈木質(zhì)部輸水路徑時發(fā)現(xiàn)，在縱向維管束中僅有3%穿過節(jié)點進(jìn)入下一節(jié)間，大多數(shù)維管束分化出橫向和縱向的維管束分支，節(jié)間處的縱向維管束與節(jié)間維管束結(jié)構(gòu)也迥然不同，同時大量不規(guī)則的導(dǎo)管分子存在于縱向和橫向維管束的關(guān)聯(lián)處，可作為2向或3向的連接通道，這種結(jié)構(gòu)有利于莖節(jié)間及器官間的物質(zhì)交流與增強(qiáng)抗倒折能力[15]。有關(guān)莖稈維管束表型特征的研究主要集中在節(jié)間部位，早期主要是借助顯微觀測技術(shù)獲取莖稈內(nèi)部組織的顯微圖像并進(jìn)行觀察，進(jìn)而分析不同環(huán)境因子，如干旱、種植密度等對莖稈維管束表型特征產(chǎn)生的影響。從現(xiàn)有關(guān)于玉米莖稈解剖結(jié)構(gòu)的研究內(nèi)容來看，干旱會改變玉米植株的生理生化和細(xì)胞結(jié)構(gòu)，逐漸影響玉米的解剖結(jié)構(gòu)，莖稈薄壁組織由排列整齊變?yōu)闊o序，耐旱性強(qiáng)的品種維管束排列緊密，導(dǎo)管較多，且導(dǎo)管直徑較大[16]。王娜等的研究發(fā)現(xiàn)，不同玉米品種、類型間與種植密度、莖稈髓區(qū)大維管束個數(shù)、莖稈第3節(jié)的長粗比呈顯著正相關(guān)[17]。崔海巖等研究表明，種植密度越高莖稈的硬皮組織越薄，另外，種植密度和維管束數(shù)目以及單個髓區(qū)大維管束面積成反比[18]。馮海娟等的結(jié)果表明，緊湊型品種鄭單958在較高密度下表現(xiàn)出在維管束結(jié)構(gòu)、莖流速率上的優(yōu)勢，使其具有較強(qiáng)的耐密性，保持較高的產(chǎn)量[19]。

1.3 葉片維管束表型特征分析

玉米是單子葉植物，葉脈屬于平行脈，由條紋狀平行排列的縱脈和起連接作用的側(cè)脈組成[20-21]。縱脈分為4類：中脈、大維管束、中等維管束、小維管束。中脈位于葉片中央(圖1-C)，兩側(cè)間隔分布著大維管束、中等維管束和小維管束[22]。通常情況下，2根大維管束之間有1～3根中等維管束，中等維管束之間以及中等維管束和大維管束之間有2～7根小維管束[23]。從解剖結(jié)構(gòu)上看，葉片維管束呈長橢圓形，由維管束鞘、木質(zhì)部、韌皮部和薄壁組織組成[24]。維管束鞘細(xì)胞含有葉綠體，呈花環(huán)狀排列在木質(zhì)部和韌皮部之外。鄭丕堯等將玉米葉片維管束按照橫向、縱向以及維管束大小和結(jié)構(gòu)分類后，研究不同葉位維管束系統(tǒng)解刨結(jié)構(gòu)指出，位于中部的葉片維管束數(shù)目最多，其次是上部，下部葉片維管束數(shù)目最少；韌皮部、木質(zhì)部面積的變化趨勢同為中部最大、下部最小[25]。王群瑛等研究發(fā)現(xiàn)，穗位葉維管束數(shù)目最多、導(dǎo)管粗度最大，穗部葉片解刨結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜，從穗部向上以及向下的葉片結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)簡化的趨勢[26]。陶世蓉等研究指出，緊湊型玉米比平展型玉米解刨結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耐密性好的緊湊型玉米葉片中脈向內(nèi)凹陷且葉片較寬，更利于光合物質(zhì)收集和水分轉(zhuǎn)運[27]。種植密度、光照度、微量元素、水分脅迫等外界環(huán)境因素與葉片維管束的形態(tài)結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。李春奇等對不同種植密度下葉片解剖結(jié)構(gòu)的差異進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，葉脈維管束間距隨種植密度的增加而增大，維管束橫截面積和木質(zhì)部面積隨種植密度的增加而減小[28]。姜雯宇等研究發(fā)現(xiàn)，同一葉位的花環(huán)結(jié)構(gòu)在光照度為600 μmol/(m2·s)的條件下發(fā)育最好，光照度過低發(fā)育不好，過高則光合結(jié)構(gòu)被破壞[29]。王盛鋒等觀察了不同土壤水分供應(yīng)下鋅對玉米葉片維管束結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)在水分充足情況下，缺鋅會導(dǎo)致維管束鞘細(xì)胞葉綠體結(jié)構(gòu)異常，甚至細(xì)胞內(nèi)容物消失；在干旱條件下缺鋅時，維管束鞘細(xì)胞結(jié)構(gòu)基本完好，認(rèn)為在土壤水分充足時，缺鋅導(dǎo)致的維管束鞘細(xì)胞結(jié)構(gòu)破壞比干旱時更嚴(yán)重[30]。李真真等研究表明，在水分脅迫下，隨著干旱程度的加劇，玉米葉片和維管束面積均減小，維管束鞘細(xì)胞排列散亂，導(dǎo)管形態(tài)變得不規(guī)則，導(dǎo)管直徑和木質(zhì)部橫截面積也逐漸減小[31]。

1.4 果穗維管束表型特征分析

果穗維管束系統(tǒng)主要由穗柄維管束、苞葉維管束、穗軸維管束和小穗柄內(nèi)維管束等組成。玉米穗部維管束是莖稈和果穗之間的物質(zhì)通道，決定著養(yǎng)分的運輸效率，從而影響著籽粒的物質(zhì)積累[32]。果穗柄是變態(tài)的莖，是連接莖稈和玉米果穗的唯一通道(圖1-D)，其內(nèi)具有約幾百個縱向維管束延伸至玉米穗軸(圖1-E)，其維管束篩管多而密集；穗軸末端為穎果基部具有維管組織的小穗柄，小穗柄由穗軸縱向維管束分化而來，與籽粒相連；苞葉著生于穗柄節(jié)，維管束和葉片維管束相似，維管束平行排列；在同一果穗穗軸中維管束的數(shù)目、面積呈現(xiàn)果穗基部>中部>頂部的規(guī)律[33]。孟劍霞等利用徒手切片和顯微鏡對兩自交系雌穗軸、苞葉做解剖觀測，結(jié)果表明，單個維管束面積大且數(shù)量少，則有利于苞葉與穗軸發(fā)育[34]。王娜等研究表明，雌穗軸維管束數(shù)目、維管束總橫截面積與種植密度呈顯著負(fù)相關(guān)，緊湊型品種在高密度條件下，產(chǎn)量水平高，耐密性好；而平展型玉米品種在高密度條件下，穗柄、穗軸內(nèi)維管束數(shù)目減少、面積減小，產(chǎn)量降低[17]。張善平等通過研究小穗軸維管束的解剖結(jié)構(gòu)變化及其與不同部位籽粒干質(zhì)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)小穗軸的維管束結(jié)構(gòu)對于籽粒灌漿至關(guān)重要，對于耐密性較差的品種，穗軸的維管束面積會隨密度增加而下降，而耐密性較好的品種，對穗軸維管束影響很小，不阻礙籽粒灌漿[35]。邵萌等利用X-ray技術(shù)研究了玉米果穗柄維管組織的縱向分布、果穗軸與籽粒維管組織的連接關(guān)系，并根據(jù)三維圖像計算出維管束相關(guān)表型，加深了人們對果穗維管系統(tǒng)的認(rèn)識[32]。

2 維管系統(tǒng)功能分析

維管系統(tǒng)是玉米源庫的連接通道，是植株水分、物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)鍵輸導(dǎo)組織和支撐系統(tǒng)。維管束主要分為韌皮部和木質(zhì)部，前者包括篩管和伴胞，主要負(fù)責(zé)溶解狀態(tài)的同化物運輸；后者以導(dǎo)管為主，負(fù)責(zé)運輸水分和無機(jī)鹽類；同時，維管系統(tǒng)中木質(zhì)素、纖維素、半纖維素等成分的形成，起到重要的支撐作用。玉米不同器官維管束的形態(tài)結(jié)構(gòu)存在顯著差異，其功能各有側(cè)重，本部分將從水分運輸、營養(yǎng)物質(zhì)運輸及機(jī)械支撐3個方面進(jìn)行總結(jié)概括。

2.1 水分運輸功能

連接玉米源庫的維管系統(tǒng)是植株水分運輸?shù)年P(guān)鍵輸導(dǎo)組織。目前，有關(guān)玉米維管系統(tǒng)的表型特征與水分運輸功能的研究主要集中在根系、葉片和莖稈，探究其維管束解剖結(jié)構(gòu)特征(一般由能測量的指標(biāo)描述，如維管束面積、導(dǎo)管直徑等)對水分運輸?shù)挠绊?。從植物水分生理來看，植物一生需要不斷地吸收和散失水分，植物體內(nèi)水分平衡是植物生長、發(fā)育和提高生產(chǎn)力的前提條件。而維管束是植物體內(nèi)水分的運輸工具，是植物保持水分平衡的必要條件。根系是植物水分吸收的主要器官，根內(nèi)水分運輸分為從表皮到木質(zhì)部導(dǎo)管的徑向運輸和沿木質(zhì)部導(dǎo)管流動的軸向運輸[36]。Steudle等認(rèn)為，徑向運輸?shù)乃?dǎo)度與水流經(jīng)過的細(xì)胞層數(shù)成反比，軸向運輸?shù)乃?dǎo)度與水流經(jīng)過的長度成反比，而兩者均與水流經(jīng)過的橫截面積成正比[37]。Liu等利用壓力探針技術(shù)研究玉米根系水分吸收時發(fā)現(xiàn)，根內(nèi)徑向水導(dǎo)與皮層厚度和根直徑的比值呈負(fù)相關(guān)[38]。根系內(nèi)軸向水分運輸與木質(zhì)部導(dǎo)管性狀密切相關(guān)，根系通過增加導(dǎo)管數(shù)目來增強(qiáng)對水分的運輸能力以滿足植株生長發(fā)育的需要[12，39-41]。玉米莖稈維管束作為植株水分運輸?shù)闹饕ǖ?，其分布模式及其微觀結(jié)構(gòu)特征直接影響到玉米的水分利用效率。于海秋等研究表明，耐旱性強(qiáng)的品種維管束排列緊密，維管束內(nèi)導(dǎo)管較多，且導(dǎo)管直徑較大[16]。葉片作為水分運輸?shù)慕K端，水分在葉片維管束中的傳輸效率不僅限制整株植株的水分運輸，而且對葉片的性狀和大小產(chǎn)生影響[42-43]。

2.2 營養(yǎng)物質(zhì)運輸功能

流作為玉米源庫的連接通道，其分布模式及微觀結(jié)構(gòu)特征直接影響到作物的養(yǎng)分運輸效率和光合生產(chǎn)能力，進(jìn)而對作物產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響。有關(guān)玉米維管系統(tǒng)的表型特征與營養(yǎng)物質(zhì)運輸功能的研究主要集中在葉片維管束和果穗維管束2個方面。

玉米葉片維管束系統(tǒng)不僅是重要的水分輸導(dǎo)組織，更是光合同化物的運輸通道。玉米是典型的C4植物，葉片維管束鞘細(xì)胞含有葉綠體，葉肉細(xì)胞和維管束鞘細(xì)胞協(xié)同參與CO2的固定，大大提高玉米植株的光合效率，在源庫輸送中起著重要作用[44-45]。位于玉米植株上部的葉片光合作用結(jié)構(gòu)優(yōu)于下部葉片，其光合作用產(chǎn)物的生產(chǎn)和運輸對子粒的貢獻(xiàn)率勝于下部葉片，特別是位于果穗部位的葉片，其良好的維管系統(tǒng)是源庫之間協(xié)調(diào)、通暢和光合產(chǎn)物運輸?shù)幕A(chǔ)和保障。葉片光合作用機(jī)理及維管系統(tǒng)中光合產(chǎn)物的裝載、運輸與卸載一直是研究的重點和難點。Fritz等研究發(fā)現(xiàn)，14C都集中在維管束薄壁篩管的裝載和運輸區(qū)域[46]。

果穗柄和穗軸維管束是連接作物源庫的重要通道，直接影響生物產(chǎn)量向籽粒產(chǎn)量轉(zhuǎn)化，進(jìn)而對作物產(chǎn)量形成產(chǎn)生重要影響。多位研究者通過研究玉米果穗發(fā)育期間維管束的發(fā)育狀況，指出果穗內(nèi)維管束的數(shù)目和面積越大則籽粒干質(zhì)量和體積越大；穗柄的運輸效率和運輸量與籽粒干質(zhì)量的增長呈正相關(guān)[33，47-48]。這些研究表明，維管束的形態(tài)參數(shù)如維管束數(shù)量、面積等與穗部的庫容關(guān)系呈正相關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，穗位及粒位也會影響果穗維管束性狀，下部退化果穗和禿頂?shù)墓刖S管束發(fā)育較差，維管束數(shù)目少、面積小，這與近年來研究熱點穗退化、籽粒敗育相關(guān)，說明果穗頂部維管束發(fā)育不良導(dǎo)致了籽粒營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)受到限制[32]。

2.3 機(jī)械支持功能

維管束中木質(zhì)部為植物提供結(jié)構(gòu)剛性，在機(jī)械支撐方面發(fā)揮著重要作用。維管束機(jī)械支持功能主要體現(xiàn)在莖稈抗倒伏能力上。莖稈的形態(tài)結(jié)構(gòu)及維管束的表型差異與抗倒伏能力密切相關(guān)，如硬皮厚度、機(jī)械組織細(xì)胞層數(shù)、厚壁細(xì)胞外壁厚度、維管束數(shù)目及長與寬、維管束面積等[17]。抗倒伏特性不同的玉米品系莖稈解剖結(jié)構(gòu)存在明顯的差異，Chang等通過2個玉米綜合群體對莖稈強(qiáng)度的輪回選擇結(jié)果表明，隨著莖稈強(qiáng)度的增加，維管束鞘厚度、木質(zhì)化薄壁細(xì)胞壁、硬皮細(xì)胞腔隙以及莖稈硬皮組織均有不同程度加厚[49]。孫世賢等探究了莖稈解剖結(jié)構(gòu)和倒伏率的關(guān)系指出，莖稈的倒伏率與維管束面積大小、周圍機(jī)械組織面積大小、硬皮組織厚度呈極顯著相關(guān)[50]。王立新等研究表明，田間倒伏率與地面上第3節(jié)間的莖外圍維管束的長寬、維管束內(nèi)部厚壁細(xì)胞的厚度及皮層厚度呈顯著負(fù)相關(guān)，但倒伏率與維管束數(shù)目呈顯著正相關(guān)[51]。王群瑛等對易倒伏、中抗倒伏和高抗倒伏品種進(jìn)行莖稈解剖結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，莖稈硬皮組織厚、機(jī)械組織發(fā)達(dá)程度、維管束密度、維管束鞘厚度等與抗倒伏能力呈正相關(guān)[26]。提高種植密度、促進(jìn)光溫資源利用率可增加玉米單位面積產(chǎn)量[52-54]，但崔海巖等指出玉米種植密度增加導(dǎo)致莖稈硬皮組織變薄、莖稈維管束數(shù)目和中央單個大維管束面積減小，使植株抗倒能力下降，倒伏率增加[18]。Zhang等研究發(fā)現(xiàn)，莖稈外周維管束總面積、莖稈短軸長、薄壁組織區(qū)域維管束面積占比和莖稈維管束總面積是影響莖稈彎曲載荷的重要因素[55]。另外，葉片維管束作為葉片骨架，支撐葉肉組織，最大限度地使葉片處于完全展開狀態(tài)，增加光合面積[56]；同時，葉片維管束末端逐漸變細(xì)，這種結(jié)構(gòu)可以減輕其基部維管束的支撐負(fù)擔(dān)，更經(jīng)濟(jì)有效地構(gòu)建支撐骨架[57-58]。

3 維管系統(tǒng)表型的定義與內(nèi)涵

顯微表型是作物表型組學(xué)的重要組成部分，顯微性狀獲取對特異基因精準(zhǔn)鑒定和功能預(yù)測發(fā)揮重要作用。但不可否認(rèn)的是，相對于器官、植株和群體水平的表型信息獲取與解析技術(shù)，顯微表型研究相對較少、發(fā)展相對滯后[5]。如何全面、快速地獲得植物基于組織細(xì)胞的表型信息，是植物表型組學(xué)發(fā)展的必然趨勢?；诒硇驮谧魑镉N中的定義，作物維管系統(tǒng)表型可被定義為能夠反映作物根系、莖稈、葉片、果穗等器官維管組織結(jié)構(gòu)及其功能特征的所有性狀的集合。在組學(xué)大數(shù)據(jù)的時代背景下，作物維管系統(tǒng)表型獲取需要引入、集成和創(chuàng)新顯微圖像成像技術(shù)手段，結(jié)合圖像處理、計算機(jī)、人工智能等多學(xué)科交叉，自動或半自動獲取植株不同器官維管組織的顯微圖像，精準(zhǔn)、自動解析維管組織的解剖結(jié)構(gòu)性狀和幾何空間構(gòu)型指標(biāo)，構(gòu)建滿足組學(xué)大數(shù)據(jù)要求的現(xiàn)代顯微表型技術(shù)體系。現(xiàn)代維管系統(tǒng)表型研究技術(shù)體系的構(gòu)建重點取決于2點：第一，引入、集成和創(chuàng)新顯微觀測技術(shù)手段是決定維管組織顯微圖像獲取效率及精度的關(guān)鍵，自從16世紀(jì)末顯微鏡誕生，顯微觀測技術(shù)不斷發(fā)展與更新，一些先進(jìn)的顯微觀測技術(shù)也逐漸引入、集成到植物顯微表型研究領(lǐng)域，如基于CT、激光斷層掃描成像等。通過引入最新的顯微觀測技術(shù)，顯著提高了作物器官維管組織顯微圖像的獲取效率，同時保證顯微圖像的精度及圖像質(zhì)量。第二，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，結(jié)合計算機(jī)圖形圖像、人工智能等多學(xué)科交叉，利用圖像處理、三維建模和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)將突破維管組織表型信息的自動化或半自動提取，實現(xiàn)維管組織解剖結(jié)構(gòu)性狀和幾何空間構(gòu)型指標(biāo)的高效、精準(zhǔn)、多維解析。

當(dāng)前，以基因組和信息化技術(shù)高度融合為主的育種4.0時代，維管系統(tǒng)表型研究一般包括顯微圖像獲取方法構(gòu)建、維管束智能解析方法研發(fā)、表型數(shù)據(jù)獲取、表型-基因型多組學(xué)數(shù)據(jù)分析等幾個方面。顯微圖像獲取方法構(gòu)建即針對傳統(tǒng)制片流程繁瑣、效率低等問題，創(chuàng)建相對高效且保證圖像獲取精度和質(zhì)量的顯微圖像獲取方法，如Burton等創(chuàng)建利用激光消融斷層掃描技術(shù)的作物根系顯微圖像獲取技術(shù)體系[59]；Du等創(chuàng)建基于Micro-CT的玉米器官組織的掃描成像技術(shù)體系[60]。有了顯微圖像，接下來的工作就是如何從這些圖像中自動化或半自動地提取有用的、具有生物學(xué)意義的表型信息。近年來，隨著計算機(jī)圖像分析技術(shù)的發(fā)展，在該研究領(lǐng)域涌現(xiàn)出新的維管束圖像獲取技術(shù)及相應(yīng)表型解析算法和工具，大大提高了組織顯微表型的獲取效率與精準(zhǔn)性[61]。顯微圖像獲取方法及維管束智能解析方法構(gòu)建后，即可實現(xiàn)大群體的表型數(shù)據(jù)獲取，定量化維管束表型性狀。表型-基因型多組學(xué)數(shù)據(jù)分析，則是以組學(xué)為切入點，對維管束表型數(shù)據(jù)、基因型數(shù)據(jù)及環(huán)境信息數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析，探究維管組織表型性狀間的相關(guān)性、基因與表型的關(guān)系、環(huán)境與表型的關(guān)系、基因和環(huán)境對表型的影響等。最終，實現(xiàn)顯微表型-環(huán)境型-基因型多維組學(xué)大數(shù)據(jù)整合與分析利用，系統(tǒng)深入地挖掘基因型-表型-環(huán)境型內(nèi)在關(guān)聯(lián)，以揭示維管束結(jié)構(gòu)和功能特征對遺傳信息和環(huán)境變化的響應(yīng)機(jī)制，為智能設(shè)計育種提出新的理論基礎(chǔ)和表型信息支持。

4 維管組織表型高通量獲取解析方法研究進(jìn)展

近幾年，隨著顯微成像技術(shù)和計算機(jī)圖像分析技術(shù)的快速發(fā)展，該研究領(lǐng)域持續(xù)涌現(xiàn)出大量算法和工具(表1)，大大提高了維管束顯微表型的獲取效率與精準(zhǔn)性[61]。Wu等基于石蠟切片的序列圖像，計算機(jī)輔助計算實現(xiàn)了小麥根系維管束表型信息的提取[62]。2012—2015年，美國賓夕法尼亞大學(xué)Lynch團(tuán)隊利用激光消融斷層掃描技術(shù)(LAT)獲取作物根系的顯微圖像，相繼開發(fā)了RootScan、RootAnalyzer等根系分析軟件，實現(xiàn)玉米、小麥等作物根系皮層、中柱等22個表型指標(biāo)的自動檢測，并與根系穿透性、抗拉強(qiáng)度、彎曲性能等生理指標(biāo)相關(guān)聯(lián)，構(gòu)建Bivariate relationships，闡明影響根系滲透性和生物力學(xué)特性的主要表型因子[59，63-64]。Pan等利用Micro-CT 獲取玉米根系顯微圖像，并基于Simpeware軟件提取維管組織二維(2D)和三維(3D)表型性狀，如后生木質(zhì)部體積、表面積等，較傳統(tǒng)方法顯著減少了工作量、提高了效率[65]。玉米莖稈不同于根系結(jié)構(gòu)，具有更復(fù)雜的顯微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致有關(guān)莖稈組織顯微表型檢測與鑒定技術(shù)的挑戰(zhàn)性更大。Legland等利用簡單的手工切片和平板掃描儀獲取玉米莖稈橫切面圖像，然后通過半自動圖像分析技術(shù)計算出玉米莖中維管束區(qū)域，該方法強(qiáng)調(diào)表型參數(shù)檢測的高通量，但缺乏精準(zhǔn)的木質(zhì)部表型信息及周皮維管束的表型信息[66]。Zhang等利用番紅和阿爾新藍(lán)對玉米莖稈切片進(jìn)行染色，然后根據(jù)組織顏色差異(木質(zhì)化程度差異)檢測維管束數(shù)量與分布特征，該方法顯著提高了莖剖面的成像效果并獲得較高的檢測精度，但需進(jìn)行較復(fù)雜的切片制備和染色工作[67]。2016年以來，Du等構(gòu)建基于Micro-CT的玉米器官組織的掃描成像技術(shù)體系，自主研發(fā)VesselParser 莖稈維管束表型分析軟件并不斷升級，Micro-CT掃描無需進(jìn)行復(fù)雜樣本制片，簡單處理后整塊樣本即可直接掃描成像并獲得微米級分辨率的莖稈顯微圖像，VesselParser莖稈維管束表型分析軟件可對CT圖像進(jìn)行自動分割、目標(biāo)識別與特征分析，準(zhǔn)確解析和計算出包括玉米莖稈維管束的數(shù)量、形狀和分布等的48項表型參數(shù)[60，68-69]。邵萌等利用Micro-CT掃描技術(shù)實現(xiàn)玉米雌穗果穗柄和穗軸的三維重構(gòu)，并根據(jù)三維圖像計算其維管束相關(guān)的表型指標(biāo)[32]。

5 基于組學(xué)的維管系統(tǒng)表型-基因型關(guān)聯(lián)分析研究

植物生長發(fā)育是植物在基因和環(huán)境共同作用下的結(jié)果，在某種程度上是表型特征與生理功能的集合。植物的生長發(fā)育是一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，基因變異、表觀遺傳的改變、基因表達(dá)水平的異常等諸多因素都會影響著生命體特征的改變[70-71]。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，高通量表型技術(shù)與大規(guī)模數(shù)量性狀基因座(QTL)或全基因組關(guān)聯(lián)分析研究(GWAS)分析相結(jié)合為作物基因組學(xué)、基因表征和育種研究提供了一種新的方法[72]。近年來，在許多作物中實現(xiàn)了將基因組數(shù)據(jù)與表型數(shù)據(jù)相結(jié)合的多組學(xué)研究，迅速解碼了大量未知基因的功能，提高了人們對G-P圖譜的理解[73-74]。

表1 作物維管束表型性狀高通量獲取方法

隨著源庫性狀的遺傳改良和栽培措施的重大進(jìn)展，流在產(chǎn)量形成中的作用越來越受到人們的關(guān)注。維管束是連接源與庫的流，負(fù)責(zé)在器官間輸送水、必需的營養(yǎng)物質(zhì)、糖和氨基酸，并決定其運輸效率[75]。作為一種有效的源庫間長距離運輸系統(tǒng)，維管束表型與籽粒產(chǎn)量之間的相關(guān)性已在多種作物中報道[76-78]。滕勝等以水稻雙單倍體(DH)群體為試驗材料結(jié)合QTL分析，鑒定調(diào)控水稻穗莖大、小維管束數(shù)目的QTL位點，共檢測到5個控制大、小維管束數(shù)性狀的主效數(shù)量性狀位點[79]。陳順強(qiáng)等以水稻DH群體為試驗材料結(jié)合QTL分析，鑒定了水稻不同部位大、小維管束數(shù)目的數(shù)量性狀位點，共檢測到10個與大、小維管束數(shù)目有關(guān)的 QTL，其中貢獻(xiàn)率最大的為 28.1%[80]。荊彥輝等利用BC3F2群體，共檢測到 15個與水稻穗部大、小維管束數(shù)目相關(guān)的QTL[81]。Li等以玉米關(guān)聯(lián)分析群體為試驗材料，通過全基因組關(guān)聯(lián)研究，檢測出64個與玉米木質(zhì)素、纖維素和半纖維素相關(guān)的SNPs位點，并篩選出6個候選基因[82]。Huang等利用玉米-大芻草試驗群體鑒定了玉米莖稈頂位節(jié)間維管束數(shù)的QTL，結(jié)果表明，維管束數(shù)量受大量小效應(yīng)QTL的控制，共檢測到16個QTL，占表型變異的52.2%，該研究為玉米莖稈維管束數(shù)的遺傳結(jié)構(gòu)解析提供了重要依據(jù)[61]。孫高陽在368份玉米關(guān)聯(lián)分析群體中利用覆蓋全基因組的高密度標(biāo)記對玉米穗柄維管束性狀進(jìn)行了GWAS研究，定位到208個與大、小維管束數(shù)目、面積和密度有關(guān)的顯著的 SNPs 位點[83]。杜宇茜利用X179和NX531獲得的重組自交系(RIL)群體以及248份玉米自然群體為試驗材料結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)分析和連鎖分析，篩選到216個與大、小維管束數(shù)目和面積有關(guān)的顯著SNP位點，并挖掘到11個相關(guān)候選基因[84]。Zhang等以玉米關(guān)聯(lián)分析群體為試驗材料結(jié)合全基因組關(guān)聯(lián)研究，共鑒定到調(diào)控30項莖稈顯微表型性狀的1 562個顯著SNPs位點，篩選到調(diào)控維管束數(shù)目(VBNum)、維管束面積(VBAvArea)、維管束分布密度(PZVBDensity)等20項性狀的84個特異候選基因，其研究結(jié)果有助于進(jìn)一步了解莖稈維管束的表型特征成分，并為探究維管束形成和發(fā)育的遺傳控制提供理論基礎(chǔ)[69]。

顯然，大規(guī)模QTL或GWAS與高通量表型技術(shù)與相結(jié)合，不僅提升了人們對維管系統(tǒng)遺傳機(jī)理解析的認(rèn)識，而且為植物基因組學(xué)、基因表征和智能設(shè)計育種提供了一種新的方法。除此之外，隨著維管系統(tǒng)表型獲取與解析技術(shù)的不斷發(fā)展，相信維管組織研究在未來一定可以打破現(xiàn)有缺少大群體、深度表型信息的瓶頸，大力推動玉米全基因組關(guān)聯(lián)分析等遺傳學(xué)的研究進(jìn)程。

6 總結(jié)和展望

有關(guān)玉米維管束的研究經(jīng)過過去20多年的發(fā)展，已取得了一些進(jìn)展，但相比典型的C3作物水稻植株維管束的研究，還相對滯后，對于玉米整株維管束的分布、特點、關(guān)聯(lián)性缺乏系統(tǒng)、完整的研究。傳統(tǒng)的維管束解剖特征測定方法主要以器官的某一部位進(jìn)行研究，缺乏完整、系統(tǒng)的維管束表型信息，且以人工檢測為主，測定工作量大、測定效率低、主觀性強(qiáng)，無法作為快速篩選優(yōu)良品種的檢測手段；另外，所獲得的圖像均為二維圖像，由于二維圖像及玉米根系、莖稈、籽粒等非均勻性的影響，利用現(xiàn)有的二維顯微圖像與計算機(jī)軟件實現(xiàn)玉米組織結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)、密度、空間分布及維管束連接等分析存在較大困難。隨著顯微成像技術(shù)、CT技術(shù)的不斷發(fā)展，植物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、計算機(jī)圖像處理、計算數(shù)學(xué)等學(xué)科間的交叉，將大大推進(jìn)玉米維管系統(tǒng)的理論及功能計算研究。探究玉米維管束的整體分布，根、莖、葉片及果穗中維管組織系統(tǒng)、完整的表型信息，各器官間維管束的關(guān)聯(lián)與連接，維管束的建模仿真與功能計算都將是有待解決的問題。尤其果穗節(jié)、果穗柄是運轉(zhuǎn)光合產(chǎn)物流的限速器官，果穗柄是源-庫之間聯(lián)系的最后一節(jié)紐帶，其顯微表型與玉米的產(chǎn)量息息相關(guān)。以表型組學(xué)為切入點，系統(tǒng)獲取維管束的表型信息，實現(xiàn)玉米果穗柄維管束表型的精準(zhǔn)解析，探究果穗柄維管束表型與基因型之間的關(guān)系，實現(xiàn)基于組學(xué)的結(jié)構(gòu)-功能探究、計算與模擬，將對玉米的抗性評價、品種選育及功能機(jī)制研究具有重要意義。

總之，玉米維管系統(tǒng)的研究是一項十分復(fù)雜的科學(xué)任務(wù)具有重要意義和現(xiàn)實價值，要充分利用多學(xué)科交叉合作，嘗試引進(jìn)和運用新的思路與技術(shù)方法，系統(tǒng)完整地獲取玉米維管系統(tǒng)的表型信息，探究結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系，最終實現(xiàn)結(jié)構(gòu)-功能計算與模擬，使其研究結(jié)果更好地服務(wù)于作物育種與生產(chǎn)實踐。