《PLOS One》：Efficient phenotyping of banana (Musa spp.) germplasm for resistance to five biotic constraints using Partially replicated (P-rep) design
编辑推荐：
香蕉育种计划优先考虑在保持果实品质的同时提高产量和对生物胁迫的抗性。本研究聚焦于鉴定对五种主要生物限制因子具有抗性的基因型，包括香蕉象甲（Cosmopolites sordidus）、根腐线虫（Radopholus similis）、香蕉黄单胞菌枯萎病（ban
香蕉育种计划优先考虑在保持果实品质的同时提高产量和对生物胁迫的抗性。本研究聚焦于鉴定对五种主要生物限制因子具有抗性的基因型，包括香蕉象甲（Cosmopolites sordidus）、根腐线虫（Radopholus similis）、香蕉黄单胞菌枯萎病（banana Xanthomonas wilt）、尖孢镰刀菌古巴专化型1号小种（Fusarium oxysporum f. sp. cubense – Race 1）和斐济假尾孢菌（Pseudocercospora fijiensis）。研究人员在受控的筛选温室和田间条件下对一系列二倍体和四倍体基因型进行了表型鉴定，以确定潜在抗性来源。研究采用部分重复（partially replicated, P-rep）设计，以适应由异步增殖引起的植株供应不均。P-rep设计实现了稳健的表型比较，并鉴定出对多种生物胁迫表现抗性的基因型。多个二倍体基因型表现出对多种限制因子的抗性，凸显其作为抗性渗入亲本系的潜力，并拓宽了香蕉改良的遗传基础。利用P-rep实验设计的效率和精确性，这些发现加速了基因型的表型鉴定。
香蕉是东非和中非（ECA）重要的主粮和现金作物，但其生产受到多种生物限制因子的严重制约，包括香蕉象甲（Cosmopolites sordidus）、根腐线虫（Radopholus similis）、香蕉黄单胞菌枯萎病（Banana Xanthomonas wilt, BXW）、尖孢镰刀菌古巴专化型1号小种（Fusarium oxysporum f. sp. cubense – Race 1, FOC-R1）和斐济假尾孢菌（Pseudocercospora fijiensis）引起的黑叶斑病。虽然化学和栽培防治手段可一定程度上控制这些病害，但对小农户而言，最经济有效的措施是种植抗性品种。以往的抗性筛选研究在对照品种、表型鉴定方法、接种量、病原生物型和试验误差控制等方面存在差异，导致结果难以相互比较，亲本选择的不确定性增大。由于香蕉杂交育种周期长，精确的亲本表型鉴定至关重要。然而，香蕉种苗主要通过组织培养繁殖，不同基因型的增殖率、生根能力、污染损失和驯化成功率差异很大，导致植株供应不均且异步，难以在大型试验中建立平衡的完全重复设计。部分重复（partially replicated, P-rep）设计通过仅对部分基因型进行完全重复、其余基因型部分重复或不重复，为这种材料受限的情况提供了实用方案。本研究由国际热带农业研究所（IITA）联合相关机构，利用P-rep设计对来自Matooke、Mchare和Plantain育种项目的亲本基因型进行抗性表型鉴定，旨在为香蕉抗性育种筛选优良亲本。
研究使用了来自IITA乌干达、坦桑尼亚和尼日利亚的69个亲本基因型，另有7个未进行表型鉴定但参与基因分型的材料，来源包括IITA、乌干达国家农业研究组织（NARO）、巴西农业研究公司（Embrapa）、印度国家香蕉研究中心（NRCBI）及香蕉国际中转中心。利用DArTSeq平台对全部材料进行基因分型，获得13306个单核苷酸多态性（SNP）标记。表型鉴定在坦桑尼亚IITA-Arusha和乌干达IITA-Sendusu两个地点进行，但每种胁迫均在一个地点评估：FOC-R1在坦桑尼亚评估，其余四种在乌干达评估。所有试验植株经组织培养繁殖，在不同批次中采用P-rep设计，并在筛选温室或田间进行人工或自然接种。数据使用共轭层次广义线性模型（HGLM）分析，将基因型作为固定效应，批次和区组作为随机效应；同时采用主成分分析（PCA）和Ward层次聚类分析遗传关系。
**亲本基因型遗传关系**。通过PCA和Ward层次聚类分析，前两个主成分分别解释31.8%和10.1%的遗传变异（合计41.9%），基因型被分为四个与系谱和抗性模式一致的簇。簇1包含Plantain地方品种Obino Lewai及其衍生杂交种PITA，与对R. similis、Xvm和FOC-R1的抗性相关；簇2以二倍体和野生型为主，主要抗R. similis和FOC-R1；簇3基因型对R. similis、FOC-R1和P. fijiensis抗性；簇4则包含多种抗性组合的杂交种，尤其对C. sordidus、R. similis和FOC-R1。这表明遗传聚类与抗性表型存在关联。
**对各生物限制因子的响应**。各批次或循环的密度曲线大体重叠，但部分批次出现位置和离散度的差异，说明存在批次特异性变异。对照品种提供了生物学参考：Calcutta 4对C. sordidus、R. similis、FOC-R1和P. fijiensis均表现低损伤或低病害，而地方品种损伤较高；Monyet对Xvm的病情进展曲线下面积（AUDPC）显著低于感病对照。
**基因型对目标病虫害的抗性反应**。基于HGLM模型的森林图分类显示：对C. sordidus，65个亲本中2个（3.1%）表现抗性，1个（1.5%）耐性；对R. similis，59个中14个（23.7%）抗性，16个（27.1%）耐性；对Xvm，64个中4个（6.3%）抗性，2个（3.1%）耐性；对FOC-R1，48个中12个（25.0%）抗性和12个耐性（25.0%）；对P. fijiensis，59个亲本中未检测到抗性个体，仅2个（3.3%）耐性。共有42个基因型完成了全部五种胁迫的鉴定，其中8个对所有胁迫均感病，其余34个呈现不同的抗性/耐性组合。一些基因型表现出广谱抗性，例如Calcutta 4抗C. sordidus、R. similis、FOC-R1和P. fijiensis但对Xvm感病；TMB2x 6142抗Xvm并对FOC-R1和P. fijiensis耐性；1297?3、201087K-3、5610S-1、401K-1和TMB2x 9172同时抗R. similis和FOC-R1。然而，没有任何基因型对所有五种胁迫表现抗性或耐性。
**P-rep设计与RCBD设计的比较**。将P-rep结果与以往采用完全随机区组设计（RCBD）的研究进行对比，发现P-rep对基因型均值的标准误（SE）为0.3–0.6，远低于RCBD的1.0–9.8，说明P-rep具有更高的估计精度。两者的基因型反应分类总体一致，如Mbwazirume感病、Calcutta 4和TMB2x 8075?7抗性、SH 3142耐性。理论上，在同等总植株数下，如果采用常规三区组设计，可容纳的基因型数量反而因需要每基因型同步提供足够植株而受限。P-rep允许基因型在植株可用时进入试验，并可在区组间不均匀分配，从而在不牺牲参考品种重复的前提下评估更多基因型。
讨论部分指出，P-rep设计在香蕉育种中具有特别价值，因为完全重复往往不现实。HGLM能有效分离遗传效应与环境噪声，森林图清晰区分了抗性和感病亲本。遗传聚类与抗性谱的整合有助于发现不同遗传背景可能携带不同的抗性等位基因，为选择遗传多样亲本、避免遗传基础狭窄提供了依据，但尚不能确证具体抗性机制，需进一步遗传分析。与RCBD的比较证明，P-rep在提高精度的同时不影响对基因型差异的判别，是克隆繁殖材料有限条件下高效、可靠的表型鉴定方案。
研究结论可概括为：本研究证明香蕉对C. sordidus、R. similis、Xvm、FOC-R1和P. fijiensis的抗性存在显著基因型变异，强调了稳健表型鉴定和P-rep等实验设计在抗性育种中的重要性。P-rep设计通过较低的观察标准误提供了更高的基因型响应估计精度；在独立批次/循环中检测到一致的基因型响应，进一步支持了P-rep的可靠性和效率。鉴定出的多抗基因型为后续育种提供了候选亲本。因此，在难以获得均匀且完全重复材料的情况下，P-rep为香蕉育种种质的表型鉴定提供了一种实用方法。
