基因组预测辅助玉米种质资源导入：多亲本协作设计揭示遗传增益新策略

为解决玉米育种中遗传多样性丧失和长期遗传增益受限的问题，研究人员通过公共-私营合作的多亲本回交设计，结合基因组预测技术，评估了多样性供体与精英系杂交后代的利用价值。研究发现，利用半同胞信息可有效预测未观测杂交组合的实用价值准则(UC)，而基于单倍型互补的H准则有助于筛选最优供体。该研究为育种项目中遗传资源的高效整合提供了理论和实践指导。

　　

随着现代育种技术的发展，玉米育种项目在追求短期遗传增益的同时，面临着遗传多样性逐渐狭窄的严峻挑战。遗传多样性的丧失不仅限制了长期遗传进展的潜力，还削弱了作物应对气候变化和新农业实践的能力。尽管通过高效的多样性管理可以延缓遗传增益的下降，但引入外部多样性资源仍是弥补选择对遗传多样性负面影响的关键策略。育种家可利用的多样性资源范围广泛，从竞争材料到地方品种，但其整合效果受限于这些资源与精英材料的性能差距。为克服这一障碍， bridging population（桥梁群体）策略被提出，通过在供体与精英系杂交后代中进行评价和选择，再将其引入育种项目。然而，如何优先选择最具潜力的供体与精英系的杂交组合，以及如何利用基因组预测技术优化这一过程，仍是当前研究的焦点。

本研究由Dimitri Sanchez等研究人员合作开展，旨在探索基因组预测在辅助玉米遗传资源导入中的应用。他们利用一个多亲本协作设计的 flint maize BC₁S₂群体，包含20个由7个精英受体系和9个多样性供体系杂交获得的家族，共计1174个个体。通过表型评价和基因型分析，研究人员评估了不同训练集(TS)组成对预测杂交后代性能和使用价值准则(UC)的影响，并比较了UC与基于单倍型互补的H准则在供体选择中的效果。该研究发表于《Theoretical and Applied Genetics》，为育种项目中遗传资源的有效利用提供了重要见解。

研究采用的主要技术方法包括：多亲本杂交设计（利用不完全交配方案创建BC₁S₂群体）、表型评价（在7个试验点对开花期、产量等相关性状进行测量）、中密度基因分型（使用25K SNP芯片获取基因型数据）、基因组预测模型（如GBLUP和贝叶斯岭回归(BRR)用于估计标记效应和预测后代性能）、以及UC和H准则的计算（结合均值方差预测和单倍型效应评估）。群体来源包括多个育种公司和公共机构提供的精英系和供体系。

家族间均值性能和加性遗传方差的变异

研究结果显示，不同杂交组合的后代在均值性能和加性遗传方差上存在显著差异。例如，对于雌雄开花期(FLOF和FLOM)，家族均值范围较小（FLOF为83.6-87.8天，FLOM为83.3-86.0天），但加性遗传方差平均值分别为1.08和0.81。产量性状如 grain yield (GY) 和 yield index (YI) 则表现出更大的变异，GY家族均值从10.01到12.04 t·ha^-1，加性遗传方差平均值分别为17.3和13.2，且某些家族（如A1D8）的方差高达86.2，而其他家族（如A4D3）接近零。这表明不同供体与精英系的杂交组合可能产生不同的遗传潜力，部分组合能产生超越精英亲本的个体，支持了使用UC（结合均值和方差）来评估杂交组合价值的有效性。

不同训练集对预测杂交后代值的比较

通过比较不同训练集(TS)组成的预测能力，研究发现，对于家族内预测，使用部分家族个体作为训练集(TS类型F)的预测能力(PA)较低至中等（平均PA从0.18到0.44不等）。但当使用其他家族个体作为训练集（如OFO、R、D、RD类型）时，PA显著提高，特别是当训练集包含与预测个体有亲缘关系的半同胞时（如TS类型R或RD），PA值与使用所有其他家族(OFO)相近。例如，对于GY，使用OFO或R训练集的平均PA为0.30，而使用无关家族(Disc)时PA下降至0.14。这表明，预测杂交后代值时，训练集与预测个体的亲缘关系水平至关重要，使用半同胞信息可以有效提高预测准确性。

有用性准则(UC)的预测效率

研究评估了使用基因组标记效应预测杂交组合的UC值。通过贝叶斯岭回归(BRR)模型估计标记效应，并结合亲本基因型预测后代均值和方差。结果显示，均值预测较准确（与观测值的相关系数高达0.86），但方差预测效率较低。使用“后验均值方差”(PMV)方法时，预测方差倾向于高估，而“后验均值方差”(VPM)方法表现更好。对于UC预测，结合均值和方差的UC值与观测值的相关系数在0.83到0.91之间，表明基因组预测能有效识别高潜力杂交组合。训练集组成影响预测效果，使用包含相同受体或供体的训练集（如R或RD类型）时，UC预测更准确。

H准则在供体选择中的应用

研究比较了UC与H准则（基于单倍型互补性）在筛选新供体时的效果。H准则通过计算供体的单倍型估计育种值(HEBV)，评估其是否能引入精英材料中缺失的有利等位基因。结果显示，H准则能有效识别互补性强的供体（如D5、D4和D6），而UC准则更关注短期遗传增益。例如，对于受体A3，H准则优先选择D5，其能带来25.7%的H值增益，而UC准则可能选择其他供体但H增益较低。这表明，结合H准则和UC准则可能实现短期和长期遗传增益的平衡，优化供体导入策略。

讨论与结论

本研究通过实验验证了基因组预测在 bridging population 中的应用价值。结果表明，利用半同胞信息可以有效预测未观测杂交的后代性能和UC，而H准则有助于筛选互补性供体，促进长期遗传多样性保持。研究强调，为高效整合遗传资源，初始杂交组合应基于表型值和H准则选择；预测新杂交的UC时，使用特定训练集（如R或RD类型）可提高准确性；同时，应监测精英群体多样性，适时引入新供体。这些发现为玉米育种提供了实用指南，支持基因组选择在资源导入中的广泛应用，未来研究可探索重组率变异和训练集优化以进一步提升预测效率。

总之，该研究不仅深化了对基因组预测在育种中作用的理解，还为实际育种项目中的资源利用提供了可操作的策略，有助于应对遗传多样性挑战并推动可持续遗传增益。