小麦品种混作提升产量稳定性及特定组合的超产优势研究

《European Journal of Agronomy》：Wheat variety mixtures enhance yield stability and result in pronounced overyielding for certain line combinations

本研究针对单一作物体系易受病虫害和环境变化影响的挑战，系统探讨了小麦品种混作在不同管理条件下的产量表现。通过两年三地的田间试验，发现混作品种在低投入条件下表现出显著的中亲优势和部分组合的更好亲本优势，且产量稳定性显著优于纯系。研究证实中亲表现和一般混合能力是预测混作表现的有效指标，为可持续农业中的品种配置提供了重要理论与实践依据。

　　

在全球农业生产以单一作物为主导的背景下，农业生态系统面临着病虫害威胁、环境变化挑战以及过度依赖农业化学投入品等多重压力。这种高度集约化的生产方式不仅对生态系统健康构成风险，还降低了农业系统的韧性。随着气候变化加剧和极端天气事件频发，如何提高作物的适应能力和产量稳定性已成为现代农业可持续发展的核心议题。

在这一背景下，增加作物多样性被认为是提高农业系统韧性的关键策略之一。品种混作作为一种有效的生态集约化途径，通过将不同遗传背景的作物品种组合种植，有望实现产量提升、稳定性增强、病虫害减少等多重效益。然而，关于混作品种能否在实际农田条件下稳定表现，特别是能否超越最高产品种的产量（即实现超产效应），以及如何有效预测优良混作组合等问题，仍需大规模系统试验验证。

为此，德国莱布尼茨植物遗传与作物研究所的研究团队在《European Journal of Agronomy》上发表了最新研究成果，系统评估了94个小麦品种混作组合在不同管理场景下的表现。研究团队在两年时间内，于德国的三个地点开展了系统的田间试验，涵盖了46个自交系、12个杂交种和94个混作品种，并设置了高投入和低投入两种管理条件，全面分析了混作品种的产量优势、稳定性表现及预测指标。

研究采用的关键技术方法包括：基于不完全双列杂交设计的混作组合构建、多环境田间试验的线性混合模型分析、中亲优势(MCO)和更好亲本优势(BCO)计算、一般混合能力(GMA)和特殊混合能力(SMA)评估、以及基于Shukla方差和WAASB指数的稳定性分析。试验材料包含34个适应中欧环境的已推广品种、5个双单倍体(DH)系和6个植物遗传资源(PGR)，在7个环境（管理场景×地点×年份组合）中进行评估。

3.1. 混作品种在不同管理场景下的表现差异

研究表明，管理场景对混作品种、纯系和杂交种的产量均有显著影响。低投入条件下的基因型方差占比更高（混作品种11.6%，纯系12.6%），而高投入条件下环境方差占主导（56.5%）。尽管低投入条件下产量平均降低7.9%-9.8%，但混作品种与纯系间的产量差异不显著，表明混作在资源受限环境下具有缓冲作用。

3.2. 不利条件下混作品种表现出更显著的超产效应

在低投入场景下，混作品种的平均中亲优势(MCO)达到4.5%，显著高于零，范围在-6.2%至19.6%之间。而高投入条件下的MCO平均值与零无显著差异。更好亲本优势(BCO)总体较低，但在低投入条件下可达到12.3%的最大值。这表明在胁迫环境下，混作品种更容易通过互补效应实现产量优势。

3.3. 中亲表现是预测混作品种表现的有效指标

混作品种产量与对应纯系中亲值在高低投入条件下均呈现强正相关（r=0.82-0.88），而更好亲本值的预测能力受环境条件影响较大。这一发现为混作品种选育提供了实用指导，即通过纯系表现可有效预测混作潜力。

3.4. 混作品种的表型变异主要受一般混合能力驱动

混合能力模型分析显示，一般混合能力(GMA)方差占总方差的4.4%-19.4%，而特殊混合能力(SMA)方差可忽略不计。GMA效应与品种登记年代呈正相关趋势，表明现代品种在混作中具有更好表现。这一发现为基于一般配合力的混作品种选育提供了理论依据。

3.5. 一般混合能力比平均亲本表现更准确预测混作品种产量

GMA效应和与混作品种产量在各类场景下均呈现极显著正相关（r=0.94-0.97），且通过留一法交叉验证证实了这一关系的稳健性。同时，GMA效应与纯系自身表现也呈显著正相关，为间接选择优良混作组分提供了可靠指标。

3.6. 性状异质性对混作品种超产效应的影响不明确

研究发现，单一性状差异（如株高、抽穗期）与超产效应无显著相关性，而产量差异与BCO呈强负相关（r=-0.79）。基于多性状欧氏距离的异质性指数与超产效应也无显著关联，表明性状互补性的机制比预期复杂，可能涉及非加性效应和性状可塑性。

3.7. 高投入和跨场景条件下混作品种稳定性优于纯系

群体水平的稳定性方差分析表明，混作品种在高投入和跨场景条件下的基因型×环境互作方差显著低于纯系。个体水平的Shukla稳定性方差和WAASB指数也支持混作品种具有更高稳定性，证实了混作在提升产量稳定性方面的优势。

该研究通过系统的大规模田间试验，明确了小麦品种混作在低投入农业中的巨大潜力。研究不仅证实了混作品种在不利条件下的超产效应和稳定性优势，还建立了基于中亲表现和一般混合能力的高效预测体系。这些发现为混作品种的定向选育提供了理论框架和实践指导，对推动可持续农业发展具有重要意义。未来研究需要进一步解析性状互补的分子机制，并结合基因组预测等技术，实现混作品种表现的高效预测与优化设计。