利用基因型与环境互作及稳定性分析选育埃塞俄比亚西南部抗逆芋头品种以保障粮食安全

《BMC Plant Biology》：Harnessing genotype-by-environment interaction and stability analysis of taro (Colocasia esculenta (L.) Schott) genotypes for resilient breeding and food security in Southwest Ethiopia

本研究针对埃塞俄比亚西南部芋头生产中缺乏高产稳产品种的问题，通过多环境试验评估了10个芋头基因型的基因型与环境互作(G×E)效应。采用AMMI模型、GGE双标图和基因型稳定性指数(GSI)分析，发现环境是影响芋头产量的主要因素(贡献率62.33%)，鉴定出JD/Ce23等高产稳产基因型(平均产量37.56 t/ha)和Tercha等理想测试环境。研究为芋头抗逆育种和区域粮食安全提供了重要理论依据，成果发表于《BMC Plant Biology》。

　　

在埃塞俄比亚西南部的青尼罗河盆地，芋头(Colocasia esculenta (L.) Schott)不仅是当地农民的重要主食作物，更是适应边际环境的生存保障。这种富含抗性淀粉的块茎作物虽然在全球热带地区广泛种植，但在非洲大陆的潜力远未充分发挥。尤其令人担忧的是，埃塞俄比亚的芋头种植者长期依赖传统品种，这些品种在不同环境中表现不稳定，导致产量波动巨大，直接威胁到数百万小农的粮食安全和生计。

面对这一挑战，由Ketema Balcha Debela领导的研究团队开展了一项开创性研究。他们在六个不同生态环境中系统评估了10个芋头基因型的适应性，旨在为这个被忽视的作物制定科学的育种策略。这项研究最近发表在《BMC Plant Biology》期刊上，为热带块茎作物的可持续生产提供了重要见解。

研究人员采用多环境试验设计，在Gera、Mattu、Jimma、Shisho Ende、Tercha和Chida六个地点布置随机完全区组试验。每个地点设三个重复，记录植株高度、叶片数、块茎重量等11个农艺性状。通过联合方差分析(ANOVA)、限制性最大似然法(REML)拟合线性混合模型、加性主效应和乘性交互作用模型(AMMI)以及GGE双标图等多种统计方法，全面解析了基因型、环境及其互作效应。

基因型与环境互作效应显著

方差分析表明，除块茎重量外，环境是影响所有性状变异的主要来源，贡献率高达62.33%。基因型与环境互作(GEI)虽然贡献比例较小，但对芋头产量形成具有重要影响。这一发现通过AMMI模型得到进一步验证，该模型将GEI分解为交互作用主成分轴(IPCA)，其中IPCA1和IPCA2分别解释了总GEI变异的36.04%和24.32%。

理想基因型与测试环境识别

通过基因型稳定性指数(GSI)综合评价，发现Kiyaq和SM/Ce65是最稳定的高产品种，而JD/Ce17和KD/Ce50则表现不稳定且产量较低。GGE双标图分析进一步揭示，JD/Ce23在大多数环境中表现最优，平均产量达37.56吨/公顷，且具有广泛的适应性。

环境分类与代表性评估

研究将测试环境分为两个 mega-environment：MGE-1包含Chida、Tercha、Shisho Ende和Mattu，MGE-2仅包含Jimma。Tercha环境被鉴定为最理想的测试地点，因其既具有强区分能力又能代表总体环境条件。

基因型稳定性与表现排序

基于平均环境坐标轴(AEC)分析，JD/Ce23、JS/Ce06和SM/Ce65表现出最高的平均产量和稳定性，而JD/Ce17和KD/Ce50则表现最差。这些基因型的BLUP(最佳线性无偏预测)值进一步证实了其遗传潜力。

研究结论强调，芋头产量表现受到基因型、环境和二者互作的共同影响。JD/Ce23被认为是最有前途的基因型，具有高产和广适性特点，建议在农民管理条件下进行进一步试验。Tercha环境被确定为评估芋头基因型的理想地点。虽然研究存在基因型数量有限和单一年份数据的局限性，但为埃塞俄比亚芋头育种计划奠定了重要基础。这些发现不仅有助于开发适应气候变化的新品种，还将通过提高块茎作物生产力为区域粮食安全做出贡献。

该研究的创新之处在于首次在埃塞俄比亚西南部开展如此系统的芋头多环境试验，整合了AMMI、GGE双标图和GSI等多种分析方法，为理解芋头基因型与环境互作提供了全面视角。随着气候变化对农业生产的威胁日益加剧，这种针对边际环境作物的研究显得尤为珍贵，为类似条件下的作物改良提供了可借鉴的方法框架。

通过这项研究，我们看到了传统作物在现代育种技术支持下焕发的新生机。芋头这种古老作物有望在科学研究的推动下，为埃塞俄比亚乃至整个非洲的粮食安全贡献更大力量。研究人员建议未来开展多年度试验，验证这些有希望基因型的长期稳定性，并将农民偏好纳入评价体系，确保新品种既高产又符合当地需求。