单倍型叠加育种提升小麦条锈病抗性稳定性：多环境因子分析与基因组选择策略

《Theoretical and Applied Genetics》：Haplotype stacking to improve stability of stripe rust resistance in wheat

本研究针对小麦条锈病抗性存在的基因型与环境互作(GEI)问题，通过对瓦维洛夫小麦多样性群体在澳大利亚和埃塞俄比亚11个环境下的抗性评价，结合因子分析(FA)模型和多性状基因组最佳线性无偏预测(MT-GBLUP)方法，鉴定出具有广谱抗性的种质资源。研究发现利用最优单倍型选择(OHS)算法进行单倍型叠加，结合整体性能(OP)和均方根偏差(RMSD)的选择指数(SI)，可显著提高抗性稳定性，为应对气候变化下病原菌变异提供了育种新策略。

　　

小麦条锈病的全球威胁与抗性稳定性挑战

条锈病（黄色锈病）是由条形柄锈菌（^{Puccinia striiformis}f. sp. ^tritici）引起的小麦毁灭性病害，每年在全球造成超过10亿美元的经济损失。随着病原菌新生理小种的演化，原本主要发生在冷凉地区的条锈病现已威胁到全球主要小麦产区，包括埃塞俄比亚、澳大利亚、美国和中国等60多个国家。培育抗病品种是防控条锈病最经济环保的策略，但小麦基因型对条锈病的抗性表现深受环境条件和基因型与环境互作（GEI）效应的影响，导致抗性在不同地区和年份间稳定性差，这成为育种工作的主要瓶颈。

多环境试验揭示抗性稳定性遗传机制

为解决这一问题，研究人员利用具有丰富遗传多样性的瓦维洛夫小麦群体（295份种质），在2014-2021年间于澳大利亚和埃塞俄比亚的11个环境下进行了多环境试验（MET）。通过因子分析（FA）模型解析GEI效应，发现澳大利亚和埃塞俄比亚明显分属两个不同的育种区域，环境间遗传相关性较低，存在显著的交叉GEI。研究人员进一步提出了整体性能（OP）和均方根偏差（RMSD）两个指标，分别表征基因型在各环境下的平均抗性水平和稳定性（OP和RMSD值越低，抗性及稳定性越好）。

基因组水平挖掘抗性及稳定性相关单倍型

研究采用局部基因组育种值（local GEBV）方法，在全基因组范围内扫描了19,725个单倍型块（haploblock），鉴定出10个对OP和10个对RMSD有显著效应的单倍型区块（表3）。这些区块中包括已知抗条锈病QTL/基因（如Yr36）以及新的候选位点（如2A染色体97.05-106.57 Mb的b003469）。值得注意的是，OP和RMSD的相关单倍型区块没有重叠，说明抗性水平和稳定性由不同的遗传因子控制。

人工智能算法优化育种选择策略

在育种模拟中，研究人员比较了传统截断选择（TS）和基于人工智能的最优单倍型选择（OHS）策略。OHS通过遗传算法筛选能最大化叠加优良单倍型的亲本组合，在长期育种中（100代）显示出比TS更持久的遗传增益。特别是在环境波动（模拟澳-埃环境逐年交替）条件下，仅选择OP会导致RMSD（稳定性）恶化，而使用选择指数SI（如50%OP + 50%RMSD）可同时改善抗性水平和稳定性，显著降低年份间表现变异。

主要技术方法概述

本研究采用两阶段线性混合模型（LMM）进行多环境数据分析，先估计各环境的最佳线性无偏估计（BLUEs），再拟合FA模型分析GEI；利用GBLUP模型计算OP和RMSD的基因组育种值（GEBV）；通过局部GEBV方法鉴定单倍型效应；使用基因组模拟软件（genomicSimulation）和OHS算法进行育种策略模拟；瓦维洛夫群体来源包括1922-1990年间收集的28个国家的地力品种、栽培种和育种材料。

研究结果详述

MET分析揭示澳-埃环境间条锈病抗性存在显著GEI模式

FA4模型（4个因子）被确定为最优MET模型，其可解释88.3%的遗传方差。遗传相关性热图显示，澳大利亚内部或埃塞俄比亚内部环境间相关性高，但两国环境间相关性低，存在明显GEI（图2）。这表明在两国进行抗性育种需考虑不同的环境适应性。

基于FA和MT-GBLUP方法筛选具有广谱或特异适应性的种质

研究人员利用OP和RMSD的GEBV，从瓦维洛夫群体中筛选出兼具高水平抗性和稳定性的基因型（如WLA_236、WLA_192、WLA_174），这些材料具有对澳-埃环境的广谱适应性（图3）。同时，也鉴定出分别适应澳大利亚（如WLA_186）或埃塞俄比亚（如WLA_151）的特异种质。FA模型与MT-GBLUP模型在评估平均抗性（OP vs 平均GEBV）方面高度相关（r=0.64-0.68），但在评估稳定性（RMSD vs GEBV标准差）时，在澳大利亚环境中相关性近乎为零，这与澳大利亚环境内GEI效应较小有关。

单倍型解析发现与条锈病抗性及稳定性相关的基因组区域

单倍型效应分析表明，大多数单倍型效应值较小，符合数量性状的微效多基因模型，但仍有部分单倍型区块效应较大（图5）。与OP相关的top10单倍型区块位于2A、2B、5A、5B和6A染色体，其中8个与已知Yr抗病QTL共定位。与RMSD相关的top10区块位于1A、1D、2A、4A、4B、5A和6B染色体，其中7个包含已知QTL，如6BS上靠近广谱成株抗性基因Yr36的b015121。OP和RMSD的相关区块无重叠，证实两者遗传基础独立。

结合OHS和SI的亲本选择策略可协同提高条锈病抗性及稳定性

模拟育种表明，仅对OP选择能快速提高抗性水平但对RMSD改善有限，仅对RMSD选择甚至会轻微降低OP（图6）。使用SI（如OP和RMSD各占50%）可协同改良两个性状。OHS在长期育种中比TS产生更高的遗传增益，尤其在SI选择下优势更明显（图6c）。选择在特定区域（如仅在澳大利亚）进行时，难以改善另一区域（如埃塞俄比亚）的稳定性（图7），而在所有区域联合选择则可同时提升各区域的OP和RMSD。

波动环境下选择策略优化

在模拟环境逐年交替（澳-埃）的波动条件下，仅选择OP会导致抗性表现年度间波动大，RMSD在埃塞俄比亚环境下甚至随世代增加而恶化（图8）。在SI中赋予RMSD一定权重（如10%-50%）可有效降低年度间变异，提高稳定性（图9）。当RMSD权重达到50%时，虽然OP的遗传增益速率下降，但抗性稳定性显著增强，年度间表现更可靠。

结论与展望

本研究通过多环境试验和基因组分析，揭示了小麦条锈病抗性稳定性的遗传基础，证实了GEI对抗性表达的显著影响。研究创新性地将FA模型衍生的OP和RMSD指标与基因组选择相结合，并利用OHS算法进行单倍型叠加模拟，提出了在波动环境下通过平衡选择抗性水平和稳定性来培育广谱持久抗性品种的有效策略。鉴定出的优良种质和单倍型区块为小麦抗条锈病育种提供了宝贵资源，而提出的育种策略对应对气候变化下病原菌快速演化、保障全球小麦生产安全具有重要指导意义。未来研究可整合更多环境变量和病原小种信息，并在更复杂的育种情景中验证这些策略。