葡萄品种内变异为复杂性状解析提供新途径：14年数据揭示克隆选择的巨大潜力

《Theoretical and Applied Genetics》：Exploring intra-varietal variation for complex traits in grapevine (Vitis vinifera L.)

本研究针对气候变化对葡萄生产的挑战，探索了8个主要葡萄品种克隆群体在14年间6个关键农艺性状的遗传变异。通过线性混合模型分析，发现品种内存在显著的遗传变异，广义遗传力(H2)达中等至高水平，揭示了通过克隆选择加速遗传改良的潜力。研究为利用基因组选择(GS)等预测育种工具优化克隆选择策略提供了重要依据。

　　

气候变化正给全球葡萄生产带来严峻挑战，气温上升加速了葡萄的物候进程，增加了春季霜冻的脆弱性，同时加快了葡萄中糖分的积累速度，导致葡萄酒酒精含量升高和风味特征改变。降水模式的改变和湿度增加更是促进了霜霉病(Plasmopara viticola)、白粉病(Erysiphe necator)和灰霉病(Botrytis cinerea)等真菌疾病的传播，对产量和果实品质造成显著影响。面对这些挑战，葡萄酒产业却因市场认同、区域特色和消费者认知与传统品种紧密相连，对新育成品种的接受度有限。

在这种背景下，葡萄育种者将目光转向了克隆选择，将其作为改良传统品种遗传性状的重要途径。与许多其他无性繁殖物种不同，葡萄的克隆选择侧重于在现有古老品种群体中识别、评估和繁殖优良克隆。这种品种内多样性源于几个世纪无性繁殖过程中体细胞突变和表观遗传修饰的逐渐积累，导致了同一品种名称下克隆间的表型差异。

传统克隆选择过程极其缓慢，平均葡萄育种周期可长达甚至超过25年，严重限制了遗传增益的速度。这主要是由于使用克隆繁殖来维持高杂合度，加上长达五年的幼年期，延迟了对关键产量和品质性状的早期表型选择。在根瘤蚜易发地区，嫁接苗的需求可能使这一过程再延长一至两年。

为解决这些问题，德国盖森海姆大学的研究团队在《Theoretical and Applied Genetics》上发表了最新研究成果，通过对8个重要葡萄品种克隆群体进行14年的系统研究，揭示了品种内遗传变异的巨大潜力，为加速葡萄遗传改良提供了新思路。

研究方法概述

研究团队收集了8个葡萄品种克隆群体，包括白皮诺(Pinot Blanc)、灰皮诺(Pinot Gris)、黑皮诺(Pinot Noir)、早熟黑皮诺(Pinot Noir Précoce)、雷司令(Riesling)、米勒-图高(Miller-Thurgau)、欧塞瓦(Auxerrois)和萨瓦涅玫瑰(Savagnin Rose)，共计1783个克隆。所有材料来自德国、法国、奥地利和卢森堡的历史葡萄园，经过病毒检测和品种确认后，嫁接于抗根瘤蚜砧木上。

研究在盖森海姆大学实验葡萄园的8个田块中进行，采用标准化栽培管理措施。每个小区由同一克隆的3株葡萄组成，以考虑土壤条件、植株间距或小气候的小尺度异质性。在14个生长季(2009-2023年)中，对6个育种优先性状进行了表型鉴定：产量(g/m²)、可溶性固形物(°Brix)、总酸度(g/L)、苹果酸含量(g/L)、酒石酸含量(g/L)和灰霉病感染率(%)。

数据分析采用线性混合模型，估计了广义遗传力(H²)、遗传相关性等关键方差组分。针对数据不平衡的特点，使用Cullis等方法计算遗传力，同时通过双变量模型估计性状间的遗传相关性。

研究结果

表型变异具有显著的时间动态特征

当按年份分离原始性状观测值时，所有性状在所有品种克隆群体中均观察到显著的表型变异。研究发现，不同品种群体在糖度分布上表现出明显差异，某些品种如灰皮诺、黑皮诺和米勒-图高在不同年份间保持相对稳定的中心值，而白皮诺和雷司令的均值和分布范围随时间变化明显。

克隆效应对复杂性状表型变异贡献显著

方差组分分析显示，克隆效应对总方差的贡献在性状和品种间存在差异。对产量而言，克隆贡献最大，白皮诺和灰皮诺群体分别达到32.6%和25.1%，而雷司令和欧塞瓦较低，分别为13.5%和6.0%。对于糖度，米勒-图高的克隆贡献最高(14.0%)，灰皮诺次之(8.4%)，欧塞瓦最低(4.3%)。

年份和年份与田块互作效应对于大多数性状的贡献都很显著，特别是对苹果酸(22.5-81.8%)和总酸度(12.8-77.7%)。田块单独效应对总方差的影响较小，但酒石酸是个例外，尤其是在萨瓦涅玫瑰群体中，田块效应解释了51.0%的方差。

遗传力估计显示克隆选择潜力巨大

考虑到多年数据集的不平衡性，研究采用Cullis方法计算广义遗传力。各群体遗传力估计值范围如下：产量0.47-0.84、糖度0.50-0.77、酒石酸0.13-0.87、总酸度0.24-0.92、苹果酸0.42-0.86、灰霉病感染率0.15-0.54。

基因型变异系数(CV_G%)分析显示，多个群体在产量上表现出较高的变异，特别是白皮诺(18.4%)和灰皮诺(18.5%)，表明这些性状在克隆间存在显著分化。黑皮诺在酸度性状上表现出升高的CV_G%，总酸度为11.2%，苹果酸为14.7%，表明该群体在酸度谱系上存在显著的品种内多样性。

性状间存在显著的遗传相关性

遗传相关性分析揭示了跨品种克隆群体一致的遗传关系模式，特别是产量与糖度之间存在强烈的负相关关系，范围从-0.37到-0.96。酸度性状与产量之间的关系一般为正相关，尤其是在雷司令和米勒-图高群体中酒石酸与产量的关系，但在白皮诺和灰皮诺中为负相关。

酸度性状之间主要呈正相关，除了在雷司令和米勒-图高中检测到苹果酸与酒石酸之间存在负相关(-0.66和-0.48)。所有群体中均观察到糖度与酸度性状之间一致的负相关关系，除了白皮诺和灰皮诺检测到中度正相关，以及早熟黑皮诺相关性较弱。

克隆选择具有实际应用潜力

通过可视化各品种群体内克隆的E-BLUPs(经验最佳线性无偏预测)，研究发现所有品种克隆群体均存在针对酒石酸、糖度和产量的显著克隆分化。基于理论选择标准(酒石酸前30%、糖度后60%、产量30-95%范围)，在所有群体中均能识别出符合要求的克隆，表明确实存在选择具有低糖、高酒石酸和良好产量潜力的新品种的可能性，这些品种可能更适合未来持续变暖的气候。

研究结论与讨论

这项研究通过对8个商业重要品种克隆群体超过十年的6个关键性状评估，提供了对品种内表型变异的全面长期评估。通过量化可归因于克隆效应的方差比例，分析揭示了通过克隆选择对这些复杂性状进行遗传改良的可行性。

研究发现强调了年份和年份与田块互作对所有性状方差的重要贡献，这与先前关于葡萄克隆群体中显著基因型与环境互作的报告一致。苹果酸的高年份间变异可能源于其代谢不稳定性和对环境条件的敏感性，较温暖的季节加速降解，较凉爽的温度减缓过程，导致显著的年度变异。

遗传相关性分析揭示了有生物学意义的模式，产量与糖度之间一致的负遗传相关性支持了先前报道的生产力与糖积累之间的权衡趋势。糖度与苹果酸和酒石酸含量之间的负相关关系在大多数群体中也很明显，除了白皮诺和灰皮诺，这种表型和遗传信号在不同群体中的收敛突显了葡萄浆果发育和成熟过程中糖酸平衡的生物学意义。

研究发现的所有品种克隆群体中直接归因于遗传克隆效应的显著表型方差，证实了通过克隆选择实现复杂性状遗传增益的可行性。这一发现对葡萄酒产业具有特殊意义，该产业通常对采用全新品种持保守态度，但面临将 established、高价值品种适应不断变化的气候挑战的迫切需求。

有效利用已识别的克隆变异进行切实的遗传改良，特别是对于像气候适应这样的复杂目标，需要同时跨多个性状进行选择。针对未来气候适应的酸度和糖度平衡的定向选择是在这些群体存在的多样性中明显的多性状选择机会的一个关键例子。

研究还讨论了将基因组选择(GS)等预测育种方法整合到克隆选择计划中的潜力。由于葡萄的高度杂合性，将非加性遗传效应纳入预测模型可能对提高选择准确性至关重要。当显性效应显著时，基因组预测交叉表现(GPCP)在最大化遗传增益方面可能超过基因组估计育种值(GEBVs)。

尽管存在实验设计上的局限性，如缺乏重复和根砧混杂，但研究结果强调了通过整合预测育种和先进多性状选择策略来利用品种内多样性的巨大潜力。这些克隆品种群体代表了宝贵的遗传材料，为推进基础知识和优化克隆选择提供了途径，特别是在面临气候变化挑战的背景下，为保持传统葡萄品种的完整性的同时增强其适应性和性能提供了重要见解。

研究最终指出，利用品种内多样性通过预测育种和先进多性状选择策略，在保持传统葡萄品种完整性的同时增强其适应性和性能具有巨大潜力。这一研究为葡萄育种提供了新的思路和方法，特别是在全球气候变化背景下，为葡萄酒产业的可持续发展提供了科学依据。