自然根腐病污染条件下甜菜基因型与环境互作及稳定性分析：揭示抗病高产新品种潜力

本研究针对甜菜根腐病（Rhizomania）严重影响产量与品质的问题，开展了11个新杂交种与2个抗病对照品种在5个地点2年度的多环境试验。通过AMMI、GGE双标图、WAASB、BLUP及MTSI等多种稳定性分析方法，鉴定出F-21376、F-21375和F-21374等杂交种在含糖量（SC）、白糖含量（WSC）和白糖产量（WSY）方面表现优异且稳定，兼具抗病性与高产优质特性，为抗根腐病甜菜品种选育提供了重要种质资源与理论依据。

　　

在全球糖料生产中，甜菜（Beta vulgaris L.）作为仅次于甘蔗的重要作物，贡献了20-30%的糖产量。然而其生产长期受到生物和非生物胁迫的制约，其中由土壤真菌Polymyxa betae传播的根腐病（Rhizomania）尤为严重，可导致50%甚至100%的产量损失。伊朗作为甜菜种植区，多个省份均遭受该病害侵袭，传统防治方法如农艺措施和化学处理效果有限，遗传抗性被视为最有效且环境友好的解决方案。

在此背景下，基因型与环境互作（Genotype by Environment Interaction, GEI）研究成为作物育种的核心挑战。理解并利用GEI对选育适应特定或多样环境的高性能基因型至关重要。多环境试验（Multi-Environment Trials, METs）结合可靠统计方法，如加性主效应和乘性互作模型（Additive Main effects and Multiplicative Interaction, AMMI）和基因型加基因型与环境互作双标图模型（Genotype plus Genotype-by-Environment interaction, GGE biplot），能够有效解析GEI，识别稳定和高产品种。

为此，研究人员在伊朗五个农业研究站（Karaj、Mashhad、Miandoab、Zarqan和Hamedan）进行了为期两年（2022-2023）的试验，评估11个新甜菜杂交种和两个抗根腐病对照品种（Denzel和Melindia）在自然根腐病污染条件下的表现。研究旨在通过多种稳定性分析方法，筛选出兼具高产、优质和抗病性的新品种，以应对根腐病对甜菜产业的威胁。

研究采用了多种关键技术方法：采用随机完全区组设计（RCBD）进行田间试验；使用Betalyser设备测定糖含量（SC, Sugar Content）、α-氨基氮（N）、钠（Na⁺）、钾（K⁺）等品质性状；通过公式计算白糖含量（WSC, White Sugar Content）、白糖产量（WSY, White Sugar Yield）、提取糖系数（ECS, Extraction Coefficient of Sugar）等衍生性状；应用AMMI和GGE双标图分析GEI；利用加权平均绝对得分（WAAS, Weighted Average of Absolute Scores）、最佳线性无偏预测（BLUP, Best Linear Unbiased Prediction）、多性状稳定性指数（MTSI, Multi-Trait Stability Index）和多性状基因型-理想型距离指数（MGIDI, Multi-Trait Genotype-Ideotype Distance Index）评估基因型稳定性和性能。样本来源于伊朗种子注册与认证研究所提供的13个基因型，在五个地点重复四年。

3.1. ANOVA和均值比较

方差分析表明，基因型、环境及其互作对SC、WSC和WSY均有极显著影响（p<0.01）。环境效应解释了表型变异的较大比例（SC:61.24%，WSC:52.60%，WSY:32.74%），凸显了环境条件对性状表达的重要性。均值比较显示，杂交种F-21370的SC最高（19.30%），与F-21376、F-21374和Melindia无显著差异；而F-21371和F-21373的SC最低。WSY方面，F-21375、F-21376、F-21374和Melindia表现最优，显著高于其他基因型。相关性分析证实SC和WSC与WSY呈显著正相关，强调了高产与优质性状的协同选择必要性。

3.2. AMMI结果

AMMI模型成功解析了GEI，前两个主成分（PC1和PC2）累计解释了SC、WSC和WSY互作变异的95.19%、95.52%和79.61%。通过AMMI稳定性值（ASV）评估，Denzel品种在SC和WSC上稳定性最高，而F-21372、F-21374和F-21376在WSY上最为稳定。IPCA得分显示，高得分基因型具有特定环境适应性，而低ASV值表明其在不同环境中表现一致。

3.3. GGE双标图

GGE双标图分析进一步揭示了基因型与环境的互作模式。基于“Which-Won-Where”模型，研究识别了不同 mega-environment：Karaj、Zarqan和Miandoab环境为一组，Hamedan和Mashhad为另一组。杂交种F-21376和F-21370适应前者，F-21374适应后者，而Melindia品种特异性适应Mashhad环境。理想基因型排序中，F-21374、F-21370和F-21376在SC和WSC上最接近理想型，Melindia在WSY上表现最佳。

3.4. WAAS和WAASBY分析

WAAS指数整合所有IPCs，全面评估稳定性。F-21375在SC、WSC和WSY上均呈现低WAAS值，表明其高产且稳定。WAASBY指数平衡产量与稳定性，确认F-21376、F-21375和F-21374在多项性状上兼具高性能和稳定性的优势。

3.5. BLUP和MTSI评估

BLUP分析提供了无偏的基因型性能估计，显示F-21376、F-21375、F-21374和Melindia在WSY上有较高预测值。MTSI通过多性状综合评价，筛选出F-21376和F-21370为最稳定基因型，其在所有考察性状上波动最小。

3.6. MGIDI选择

MGIDI基于基因型与理想型的距离进行排序，F-21374、F-21375和Melindia因拥有高合意性状（如高SC、WSC、WSY）和低非合意性状（如低Na⁺、K⁺）而被选为最优。此方法侧重于性状优化，而非稳定性，为高产品种选育提供方向。

研究结论表明，通过综合多种稳定性分析方法，杂交种F-21376、F-21375和F-21374在抗根腐病性、糖产量和品质性状上表现突出，且稳定性优于或相当于广泛种植的抗病对照品种Melindia和Denzel。这些基因型具备成为新品种的潜力，尤其适用于根腐病发病区，有望显著提升甜菜产业的抗病能力和生产效率。本研究不仅为甜菜抗病育种提供了优质种质资源，也展示了多模型整合分析在作物稳定性评价中的高效性和可靠性，对应对气候变化下的粮食安全挑战具有重要意义。

该论文发表在《Crop Design》，为作物遗传改良提供了理论与实践依据。