利用预育种框架挖掘珍珠粟种质资源遗传多样性以提升抗旱性和饲草产量

《Scientific Reports》：Harnessing genetic diversity for drought tolerance and forage yield improvement in pearl millet germplasms through a prebreeding framework

本研究针对全球淡水资源紧张和干旱胁迫导致饲草产量不稳定的问题，系统评估了188份珍珠粟种质资源在灌溉与雨养条件下的农艺性状表现。研究人员通过RSI、BLUP-based GGE biplot、MTSI、MGIDI和FAI-BLUP等多模型稳定性分析，筛选出9个具有广适性的抗旱种质（如PI197115、PI197465等），发现叶绿素指数(CL)和持绿性(SG)可作为抗旱性可靠指标。该研究为培育高产抗旱珍珠粟杂交种提供了优质亲本材料和理论依据，对保障干旱地区畜牧业饲料安全具有重要意义。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱胁迫已成为制约农业生产的主要非生物胁迫之一。在畜牧业领域，传统饲草作物如紫花苜蓿在排水不良土壤中生长受限，玉米青贮需水量大，而高粱存在氢氰酸中毒风险。珍珠粟（Pennisetum glaucum）作为起源于非洲干旱半干旱地区的C₄作物，具有水分利用效率高（6.13 Mg ha^-1 mm^-1）、生育期短、茎秆木质素含量低等优势，是替代传统饲草作物的理想选择。然而，其丰富的遗传资源尚未被充分开发利用，亟需通过系统评价筛选抗旱优质种质，为培育高产稳产饲用杂交种提供亲本材料。

为解析珍珠粟抗旱遗传机制，堪萨斯州立大学Sabreena A. Parray团队于2023-2024年在美国堪萨斯州海斯试验站开展田间试验，采用增广区组设计，设置灌溉（对照）和雨养（胁迫）两种处理，对188份光周期不敏感珍珠粟种质资源的6个关键农艺性状（开花期DF、叶绿素指数CL、株高PH、有效分蘖数PT、持绿性SG、生物量BM）进行系统评价。研究综合运用基因分型测序(GBS)进行遗传结构解析，采用对齐秩变换检验(ART)和Kruskal-Wallis检验分析基因型与环境互作(GEI)，通过秩和指数(RSI)初步筛选抗旱种质，并利用BLUP-based GGE biplot、多性状均值稳定性指数(MTSI)、基因型-理想型距离指数(MGIDI)和FAI-BLUP四种多性状稳定性模型交叉验证优选种质的广适性。

关键方法学框架

研究依托188份源自ICRISAT的珍珠粟种质资源，在两年四环境中采用田间表型精准鉴定（SPAD-502 Plus测叶绿素，视觉评分法定持绿性）。通过GBS获取13,576个高质量SNP进行PCA遗传多样性分析。利用混合线性模型计算性状最佳线性无偏预测值(BLUP)，结合多模型稳定性分析（RSI、MTSI、MGIDI、FAI-BLUP）和选择增益计算，实现从抗旱性评价到优良种质遴选的系统研究。

气象条件与干旱胁迫验证

两年生长期平均温度分别为22.0℃和22.9℃，年降水量254.5 mm（2023）与271.5 mm（2024），其中2024年花期降水达106.9 mm。土壤湿度监测显示，灌溉处理累计水分含量（1.28 m³ m^-3）显著高于雨养处理（0.694 m³ m^-3），而2023年Mesonet数据（0.72 m³ m^-3）与2024年雨养实测值高度吻合（R²=0.92），证实两年均形成有效干旱胁迫。

基因型与环境互作分析

ART检验表明基因型、处理及基因型×处理互作对所有性状均达极显著水平（p<0.001）。雨养条件下，早熟和中熟种质开花延迟，而晚熟种质无显著变化。除DF外，灌溉处理各性状均值均显著优于雨养处理，其中早熟组生物量降幅达45.9%（154.9→80.76 g/株），凸显干旱对生物量形成的强烈抑制。

性状关联性与遗传力

CL、SG和BM在年份间呈显著正相关（r=0.35，0.17，0.17），且遗传力达中高水平（0.44-0.75）。CL与PH（r=0.19-0.25）、PT（r=0.32）显著相关，表明叶功能持久性对植株构建成型具有协同作用。这些性状可作为珍珠粟抗旱育种的可靠指示性状。

多模型稳定性筛选

RSI从188份种质中初选90份（各熟性组30份），PCA证实优选群体遗传多样性覆盖全面（PC1+PC2=16.8%）。四种稳定性模型交叉验证发现：早熟组E11（PI197115）、E5（PI197368）、E12（PI197327），中熟组M19（PI197465）、M5（PI197436）、M1（PI197326）、M29（PI197069），晚熟组L5（PI197291）、L19（PI197278）在全部模型中均被选中，表明其具有极强环境适应性。

选择增益比较

MTSI模型在多数性状上表现最优，如中熟组CL选择增益(SG%)达3.55%，晚熟组SG达22.1%。FAI-BLUP在早熟组CL（1.25%）、PH（1.78%）等性状增益显著，而MGIDI对晚熟组PT（2.82%）增益突出。多模型互补为不同育种目标提供优化选择方案。

本研究通过多环境表型组学与多模型稳定性分析，建立了珍珠粟抗旱种质高效筛选体系。9个核心种质在CL、PT、BM等关键性状上表现卓越，其中PI197115（早熟）、PI197465（中熟）、PI197291（晚熟）等材料兼具高遗传力与广适性，是培育抗旱高产饲用杂交种的珍贵亲本。研究发现CL和SG可作为珍珠粟抗旱育种可靠生理指标，其与生物量性状的协同提升为耐旱机制解析提供新视角。未来需对优选种质进行粗蛋白、体外消化率等品质性状鉴定，以完善饲用价值综合评价。该研究框架为其他禾谷类作物抗逆育种提供了可借鉴的多性状协同选择范式，对保障干旱地区饲料安全与农业可持续发展具有重要实践意义。