《Agriculture》：Agronomic Performance and Nutritional Value of Wheat Genotypes: Insights from a Multivariate Approach
编辑推荐：
本研究评估了由塞尔维亚三家育种机构选育的20个冬小麦基因型，以测定其与产量相关性状、蛋白质含量和氨基酸组成相关的遗传潜力。研究旨在量化基因型间的变异，并采用多性状方法鉴定具有农艺性能与营养品质优良组合的基因型。基因型间观察到相当大的变异。‘Pobeda’和‘K
本研究评估了由塞尔维亚三家育种机构选育的20个冬小麦基因型，以测定其与产量相关性状、蛋白质含量和氨基酸组成相关的遗传潜力。研究旨在量化基因型间的变异，并采用多性状方法鉴定具有农艺性能与营养品质优良组合的基因型。基因型间观察到相当大的变异。‘Pobeda’和‘Kompas’在两个生长季中均表现出稳定的高单株籽粒产量。蛋白质含量最高的是‘KG-58’（15.37%），其次是‘Lepenica’（14.38%）和‘Rana niska’（13.98%）。‘Stepa’、‘KG-78’、‘Ravanica’、‘Jasenica’和‘Lev?anka’表现出高含量的非必需氨基酸（>60 g 100 g?1 protein）和必需氨基酸（>32 g 100 g?1 protein），并在两个氨基酸组中属于同一聚类。赖氨酸是最限制性的必需氨基酸（氨基酸评分，amino acid score, AAS = 0.67），而苯丙氨酸+酪氨酸的评分最高（2.05）。‘Ravanica’、‘Jasenica’、‘Lev?anka’和‘KG-78’表现出最高的赖氨酸AAS，突显了它们在小麦育种中改良赖氨酸含量的潜力。多性状基因型-理想型距离指数（multi-trait genotype–ideotype distance index, MGIDI）将‘Sila’、‘Pobeda’和‘Partizanka’鉴定为最接近农艺理想型，其特征是所有评估的农艺性状均具有高值，而‘KG-75’、‘KG-78’和‘Jasenica’则因其必需氨基酸组成而被选出。这些被选出的基因型可作为杂交和发展高产且营养品质改良的小麦品种的宝贵遗传资源。
小麦是全球重要的粮食作物，为人类膳食提供约15%–20%的蛋白质，在发展中国家膳食中占比更高。随着全球人口增长，提高籽粒产量和营养品质成为重要育种目标，但高产育种常忽视品质改良，且产量与蛋白质含量存在负相关，使同时改良两者更具挑战。小麦蛋白质的氨基酸组成不平衡，赖氨酸、苏氨酸和蛋氨酸通常为限制性氨基酸，影响其营养价值。传统选择方法难以处理性状间的相关性和多目标选择。多性状基因型-理想型距离指数（multi-trait genotype–ideotype distance index, MGIDI）是一种多变量选择工具，可依据性状与预设理想型的距离对基因型排序，已在多种作物中应用，但在小麦中多用于农艺和抗逆性状，而用于营养品质评价较少。因此，本研究旨在综合评估农艺性状、蛋白质含量和氨基酸组成，并利用MGIDI分别筛选具有优良农艺性能和营养品质的基因型。
研究人员选取来自塞尔维亚三个育种机构（诺维萨德作物和蔬菜科学研究所、克拉古耶瓦茨小谷物和农村发展中心、PFZ In?ija）的20份冬小麦基因型，于2015/2016和2016/2017两个生长季在克拉列沃进行田间试验，测定穗长、每穗粒数、单株产量和容重；在第二季测定籽粒蛋白质含量和氨基酸组成，计算氨基酸评分，并分别基于农艺性状和必需氨基酸组成进行MGIDI分析。研究发现基因型间存在显著遗传变异：‘Pobeda’和‘Kompas’两季产量稳定；‘KG-58’蛋白质含量最高（15.37%）；‘Stepa’、‘KG-78’、‘Ravanica’、‘Jasenica’和‘Lev?anka’的必需和非必需氨基酸含量均高；赖氨酸是最限制性氨基酸（AAS=0.67），而‘Ravanica’、‘Jasenica’、‘Lev?anka’和‘KG-78’的赖氨酸AAS最高；MGIDI选出农艺理想型为‘Sila’、‘Pobeda’和‘Partizanka’，氨基酸理想型为‘KG-75’、‘KG-78’和‘Jasenica’。这些基因为通过杂交改良产量和营养品质提供了遗传资源。
技术方法方面，试验采用随机完全区组设计，三次重复，每小区6行，行距0.20 m，株距0.10 m。农艺性状测定取每小区20株平均。蛋白质含量使用凯氏定氮法（Kjeldahl）测定，氨基酸组成采用离子交换色谱（Biochrom 30+分析仪），结合酸水解、过甲酸氧化和碱水解处理。氨基酸评分按FAO/WHO/UNU 2007成人参考模式计算。统计分析使用R 4.3.2，对农艺性状进行方差分析，对蛋白质和氨基酸进行单因素方差分析，均用Tukey HSD多重比较（p≤0.05）。非必需和必需氨基酸数据用层次聚类和热图分析。MGIDI分析基于混合模型得到的BLUP值，分别对农艺性状和必需氨基酸进行，选择强度15%。
**3.1 农艺性状**
方差分析显示，基因型、年份及其互作对所有农艺性状均有显著影响（p<0.001）。基因型对总变异的贡献最大，其中对每穗粒数的贡献最高（77.5%），对单株产量的贡献最低（49.7%）。穗长最高的为‘KG-75’（11.5 cm），每穗粒数最高的为‘?umadinka’（76.3），单株产量最高的为‘Pobeda’和‘Kompas’（均为14.2 g），容重最高的为‘Partizanka’（82.9 kg hl
?1）。第二生长季的性状整体高于第一季。基因型与年份互作效应显著，对单株产量贡献最大（32.7%），表明基因型在不同年份的响应不一致；‘Pobeda’和‘Kompas’两季表现稳定。
**3.2 籽粒蛋白质含量**
蛋白质含量在9.16%（‘Jasenica’）至15.37%（‘KG-58’）之间，遗传变异显著。高蛋白基因型还包括‘Lepenica’（14.38%）、‘Rana niska’（13.98%）、‘KG-75’（13.74%）等。这些高蛋白基因型并未同时表现出高农艺性状值，与产量与蛋白质含量之间的负相关一致。
**3.3 非必需和必需氨基酸谱**
非必需氨基酸总量平均为58.94 g 100 g
?1 protein，接近必需氨基酸总量（31.01 g 100 g
?1 protein）的两倍。非必需氨基酸中，谷氨酸+谷氨酰胺（Glx）含量最高（18.59），脯氨酸次之（12.22），半胱氨酸最低（2.08）。‘KG-78’、‘Ravanica’、‘Jasenica’、‘Lev?anka’和‘Stepa’的非必需氨基酸总量>60 g 100 g
?1 protein，并聚为同一类。必需氨基酸中，亮氨酸最丰富（6.19），苯丙氨酸（4.88）、缬氨酸（4.61）和异亮氨酸（4.01）次之，色氨酸（1.17）和蛋氨酸（1.39）最低。上述五个基因型的必需氨基酸总量>32 g 100 g
?1 protein，也聚为一类。
**3.4 氨基酸评分（AAS）**
与FAO/WHO/UNU成人参考模式相比，苯丙氨酸+酪氨酸的AAS最高（2.05），赖氨酸AAS最低（0.67），因此赖氨酸是最限制性必需氨基酸。‘Ravanica’、‘Jasenica’、‘Lev?anka’和‘KG-78’的赖氨酸AAS最高（0.73–0.74），表明它们具有改良赖氨酸含量的潜力。
**3.5 多性状基因型-理想型距离指数（MGIDI）**
基于农艺性状的MGIDI保留2个因子，解释64.0%总方差；选择强度15%下，‘Sila’、‘Pobeda’和‘Partizanka’最接近农艺理想型。基于必需氨基酸的MGIDI保留3个因子，解释77.8%总方差；‘KG-75’、‘KG-78’和‘Jasenica’被选为氨基酸谱最优基因型。农艺性状的预期选择增益以穗长最高（3.75%）；必需氨基酸中色氨酸增益最高（12.10%），亮氨酸为?0.21%的负增益。
讨论部分总结：研究将农艺性状和营养品质纳入统一评价，MGIDI能区分两种育种目标。农艺优选的基因型可作为高产亲本，氨基酸优选的基因型可作为改善营养品质的来源，两者杂交有望实现高产与优质结合。但该研究仅在一地点进行两年，且蛋白质和氨基酸只评估了一季，未测定消化率，也未通过杂交后代验证其育种价值，因此这些基因型需进一步评价。
研究结论：本研究结果证实了评估的冬小麦基因型间存在相当大的遗传变异，表明基因型间存在可能与选择相关的差异。蛋白质含量本身不足以描述蛋白质的营养品质，还取决于必需氨基酸的平衡。赖氨酸被确定为限制性必需氨基酸，其中‘Ravanica’、‘Jasenica’、‘Lev?anka’和‘KG-78’的赖氨酸AAS最高，表明它们作为小麦育种计划中遗传改良赖氨酸含量的宝贵遗传资源的潜力。分别进行的MGIDI分析根据两个育种目标确定了不同的基因型。基因型‘Sila’、‘Pobeda’和‘Partizanka’表现出良好的农艺性状组合，而‘KG-75’、‘KG-78’和‘Jasenica’表现出更有利的必需氨基酸谱。所确定的基因型可被视为在重点研究农艺性状和必需氨基酸组成的育种计划中进行进一步评价的潜在遗传材料。
