LSU水稻育种110年：遗传增益实现与未来优化策略

这篇研究系统评估了路易斯安那州立大学(LSU)水稻育种项目110年来的遗传增益(genetic gain)，通过表型数据和随机模拟(stochastic simulations)揭示了现代育种工具如基因组选择(GS)和高通量表型(HTP)的协同效应。研究发现1994-2018年间谷物产量年增长达56.54 kg/ha，模拟显示GS+HTP组合可使选择响应提升至4.68%/年，为平衡育种资源分配提供了量化依据。

　　

110年LSU水稻育种的遗传成就与未来展望

摘要与关键信息
路易斯安那州立大学(LSU)水稻育种项目历经110年23个育种周期，通过战略资源分配平衡了成本效益与遗传改良。核心发现表明：传统育种实现产量年均增长0.86%（56.54 kg/ha），而基因组选择(GS)与高通量表型(HTP)的整合可缩短育种周期，将选择响应提升至4.68%/年。方差组分分析揭示后代规模对总变异的贡献达36%，为资源优化提供了量化依据。

材料与方法
研究采用三阶段混合模型分析26,882个地块数据，涵盖597个基因型和178个试验。通过REML方法估计调整均值，利用历史系谱矩阵(A
)预测早期世代育种值。模拟研究使用AlphaSimR软件，设置初始群体1000个自交系，包含360个QTL和540个SNP标记，模拟20个育种周期100次重复。比较了五种育种框架：传统表型选择("Previous")、改良传统("Current_Trad")、F₃
代GS、F₂
代GS以及GS+HTP组合方案。

遗传趋势分析
植物株高呈现稳定遗传控制，保持约100厘米的平衡高度（年降幅0.04%）。整精米率维持60%基准水平，年增益0.02%。最显著的是1994-2018年间谷物产量实现23%的总提升，从5893 kg/ha增至7250 kg/ha。全时期分析显示每代增益4.55 kg/ha（0.07%），而最近10代（50年）加速至92.63 kg/ha/代（1.39%），反映杂交育种策略转变的积极影响。

现代育种工具模拟
五类育种框架比较显示："GS.F2_HTP.F3"方案表现最优，15年模拟期内年均遗传增益达3.65%，显著高于传统方法（2.2-2.6%）。值得注意的是，GS方法虽加速遗传进展，但也导致更快的遗传多样性下降。F₂
代GS结合F₃
代HTP的方案通过早期精准选择（准确度0.40），在保持每周期5年速度下最大化选择差。

育种参数优化
64种参数组合的方差分析表明：后代规模(S)解释35.9%总变异，远高于杂交数(C)的23%和亲本数(P)的3.4%。最优组合（如P40-C160-S200）可实现4.5%年增益，证实"大群体少组合"策略的优越性。但研究强调需权衡基因型成本，建议选择第4优方案(P40-C120-S150)实现成本效益平衡。

讨论与展望
研究揭示了现代育种工具的两面性：GS+HTP虽提升增益但加速遗传均质化，需通过扩大群体规模（>150株/家系）缓解。比较全球水稻育种项目发现，LSU的遗传增益率(0.86%/年)高于巴西(0.62%)和印度(0.68%)项目，但低于IRRI优良种质(0.46%)。未来应重点优化TS更新策略和基因型-环境互作建模，以应对2050年粮食安全挑战要求的2%年增益目标。