马铃薯基因组预测模型的跨市场区段转移性及选择效应研究

本研究针对马铃薯育种中基因组预测(GP)应用不足的现状，通过评估26个性状在约1000个四倍体马铃薯基因型中的预测准确性，系统研究了训练集(TS)构建策略对基因组最佳线性无偏预测(GBLUP)的影响。研究发现使用280-480个克隆和10,000个SNP即可获得稳定预测精度，特别揭示了在特定市场区段内预测的优越性，以及通过引入低值性状克隆可显著提升选择群体的预测效果，为马铃薯分子育种提供了重要实践指导。

　　

马铃薯作为全球重要的粮食作物，其育种进程长期受制于四倍体遗传特性。虽然基因组预测(GP)技术在动植物育种中已展现出巨大潜力，但在商业化的四倍体马铃薯育种程序中仍未实现常规应用。这主要源于三个关键问题：不同市场区段（鲜食、薯片加工、薯条加工和淀粉加工）品种的性状需求差异显著；早期选择阶段可供评估的块茎数量有限；以及多个重要性状需要破坏性检测。这些因素共同导致马铃薯育种周期长、成本高，亟需建立高效的基因组预测体系。

为破解这些难题，Kathrin Thelen等研究团队在《Theoretical and Applied Genetics》发表重要研究成果。研究人员收集了来自三家育种公司的1066个四倍体马铃薯A克隆级别材料，覆盖四个主要市场区段，在德国多个地点进行为期三年的田间试验，系统评估了26个农艺和品质性状。研究采用基因组最佳线性无偏预测(GBLUP)模型，基于202,008个高质量SNP标记，通过五折交叉验证设计，重点考察了训练集规模、标记数量、市场区段转移性和选择效应等关键因素对预测准确性的影响。

关键技术方法包括：1) 使用覆盖171个全同胞家系的1066个四倍体克隆构建群体；2) 基于SNP芯片获得202,008个标记基因型数据；3) 采用多环境田间试验设计评估26个性状；4) 应用加性和加性-显性GBLUP模型进行基因组预测；5) 通过系统设计的训练集构建方案评估不同预测场景。

研究结果呈现多个重要发现：

"Prediction accuracy of key traits for potato breeding"部分揭示，加性GBLUP模型对大多数性状（除FLE外）已足够，26个性状中22个的中位预测精度超过0.5，其中STA、CR8、SHL和PPO表现最佳（0.84-0.91）。这证实了GBLUP在马铃薯复杂性状预测中的普适性。

"Factors influencing the PA"部分显示，训练集规模存在"平台效应"：高精度性状（如STA）仅需280个克隆即可稳定，而低精度性状（如EMR）需要480个克隆。标记数量分析发现10,000个SNP足以达到预测精度平台期，且高遗传力性状所需标记更少。

"Transferability of prediction models among genetic groups"部分有突破性发现：特定市场区段内预测（VS_within-TS_within）始终优于跨区段预测。值得注意的是，虽然淀粉含量(STA)等性状的市场区段间遗传分化(Q_ST=0.74)显著，但其跨区段预测仍保持较高精度，暗示多区段共享相似的遗传架构。

"Effect of selection on the PA"部分最具实践指导意义：当训练集包含20%低值性状克隆时，即使其余80%为高值选择群体，也能恢复完整训练集的预测精度。这一发现为利用高级育种阶段材料（如B、C级克隆）构建训练集提供了关键策略。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次系统评估了四倍体马铃薯多市场区段下的基因组预测策略。三个核心创新点包括：1) 明确了训练集规模与标记数量的最优阈值；2) 揭示了市场区段特异性预测的优势及其遗传基础；3) 提出了"20%低值补充"的选择群体训练集优化方案。这些发现直接指导育种实践，使基因组预测可更早应用于育种程序，显著降低性状评价成本。特别是针对需要破坏性检测的性状（如CR8、BRU），基因组预测可提前2-3个育种周期进行选择，大幅提升遗传增益。

该研究仍存在若干值得深入的方向，如未考虑基因型×环境互作对跨区段预测的影响，以及基于单一SNP芯片的标记策略可能限制稀有等位基因的检测。未来结合多组学数据和环境因子建模，有望进一步突破四倍体作物预测精度的理论极限。