根系是植物吸收养分和水分的重要器官,直接影响作物生长及产量形成。因此遗传改良根系性状对实现作物高产资源高效具有重要意义。有研究报道玉米根构型对耐低磷胁迫有重要作用。然而,在玉米低磷胁迫关键期（苗期）,不同种质资源根系性状的遗传变异及其遗传机制尚不清楚,根系响应低磷的3D构型变化特征尚不明确。本研究利用480份拥有广泛遗传变异的玉米自交系组成的关联群体为试验材料,在田间2个磷水平下,对苗期地上部生物量、缺磷症状以及根系性状进行评价。随后利用全基因组关联分析解析玉米苗期地上部及根系性状的遗传机制,挖掘关键基因及优良等位变异。同时,建立了玉米根系3D表型分析平台,对田间筛选获得的磷效率差异基因型进行根系3D构型重建,并定量化分析响应低磷胁迫的性状特征。主要研究结果如下:1、在高磷处理下,以温带种质为主的中国玉米自交系具有较高的株高,叶面积,SPAD值和节根长,低磷胁迫下这些性状降幅也最大,分别为18.0%、37.2%、7.1%和9.3%,平均的缺磷等级为1.18。美国种质在高磷下具有较高的地上部生物量（SDW）、根干重和节根数,低磷下SDW和根干重降幅高于中国和墨西哥（CIMMYT）种质,为41.5%和16.0%,缺磷等级为1.37。CIMMYT种质在高磷和低磷下都具有较高种子根长,缺磷等级为1.29。2、表型相关表明,低磷胁迫下节根数和节根长与株高、叶面积显著正相关,相关系数为0.28-0.37。通过聚类分析将关联群体分成3类,苗期双高效基因型,在高磷条件下,具有较高的SDW;低磷胁迫下SDW下降低幅度为37.1%,种子根长和主胚根长显著增加5.8%和6.1%,节根长和节根数降低7.3%和16.0%。高磷高效基因型,在高磷条件下,具有较高的SDW,低磷胁迫下降低幅度为46.7%。节根长与节根数显著下降10.2%和16.7%,主胚根长显著增幅7.2%。双低效基因型,在高磷和低磷条件下SDW都较低,低磷胁迫下SDW降低幅度为34.5%,节根长和节根数显著降低9.5%和15.0%。3、关联群体根系性状存在广泛的遗传变异,其中低磷下变异系数达到6.52-16.07%,高磷下变异系数为7.31-18.09%。在低磷下遗传力为31.9-64.9%,高磷下为36.6-72.3%。全基因组关联分析共检测到97个显著的SNP位点,单个SNP位点解释的最高表型变异为5.89%,种子根数性状所有显著位点的表型变异为44.16%。共找到29个候选基因,包括6个未知功能的新基因。对于种子根数性状在2号染色体上检测到与植物抗逆境胁迫相关的重要候选基因GRMZM2G015610。4、根据根系3D构型对低磷胁迫的响应差异,将田间筛选出11个不同磷效率的基因型分成2个类群。在低磷条件下,磷高效类群1与磷低效类群2比较,根体积增加106.4%,最大根宽增加15.8%,最大根数增加221.1%,根表面积增加160.5%,根系拓展体积增加64.9%,根系上1/3根体积分布增加8.59%,单位体积上根长增加13.4%,重心位置上移。从而导致类群1地上部生物量、根干重、茎秆与根系磷积累量显著高于类群2,为84%、68.2%、152.2%和85.7%。说明通过改变低磷下根系3D构型,可以提高对磷的吸收能力。综上所述,在田间条件下,磷高效玉米基因型在低磷胁迫下,具有较高的节根数和节根长,种子根数不变,主胚根长和种子根长增加。低磷胁迫下苗期根系性状与地上部生物量、株高和叶面积密切相关。玉米种质资源苗期根系性状存在广泛的遗传变异,挖掘与根系性状显著相关的SNP位点,找到控制玉米种子根数的关键候选基因。此外,在水培体系下建立了根系3D表型分析平台,发现低磷胁迫下改变玉米根系3D构型提高了对磷的吸收能力。本研究的结果为玉米根构型遗传改良进而提高磷效率提供了理论依据。