《Advances in Agriculture》：Genomic-Assisted Breeding to Accelerate Genetic Advance for Drought Tolerance in Finger Millet (Eleusine coracana (L.) Gaertn.)
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穇子（Eleusine coracana (L.) Gaertn.）是一种未被充分利用的作物，具有突出的气候韧性和营养丰富度。严重的干旱胁迫会导致穇子产量损失难以预测，进而威胁全球粮食与营养安全。常规育种在历史上促进了气候韧性品种的开发，以满足粮食与营养需求。
穇子（Eleusine coracana (L.) Gaertn.）是一种未被充分利用的作物，具有突出的气候韧性和营养丰富度。严重的干旱胁迫会导致穇子产量损失难以预测，进而威胁全球粮食与营养安全。常规育种在历史上促进了气候韧性品种的开发，以满足粮食与营养需求。然而，其效率有限、依赖环境条件、劳动力需求高且周期长，难以跟上全球粮食需求增长。因此，植物育种者需要将新兴技术整合到育种工具包中，以补充传统育种方法，提高效率并加速培育耐逆、高产穇子。随着基因组辅助育种（genomics-assisted breeding, GAB）的最新技术进展，这一目标显然具有可行性，包括染色体尺度参考基因组的开发；数量性状位点定位（quantitative trait loci mapping, QTL mapping）、全基因组关联作图（genome-wide association mapping, GWAS）、基因组选择（genomic selection, GS）和基因组编辑（genome editing）等分子育种工具的创新；以及比较与结构基因组学（comparative and structural genomics）的发展。在GAB中，穇子的基因组信息与表型组资源相结合，可用于加速耐旱育种。该综述重点梳理了可用于GAB的现有工具及其知识进展、这些工具如何补充常规育种方法，以及阻碍穇子耐旱GAB的挑战。综述表明，GAB借助先进基因组工具和技术识别并整合抗性性状，已成为增强穇子耐旱性的有力途径。利用GAB可开发能够耐受干旱并提升粮食安全与农民生计的穇子新品种。所生成的信息将有助于指导穇子育种者制定可用于耐旱穇子品种开发的策略。
1. 引言（Introduction）
穇子为短生育期作物，广泛种植于非洲和南亚，因其抗逆性和营养优势在气候变化背景下日益受重视。其具有C
4光合途径，在水氮利用效率方面适应炎热干旱地区；试验条件下产量潜力可达4 t ha
?1，而实际农场平均产量约1.5 t ha
?1，产量差与生物和非生物胁迫、传统品种依赖、改良品种不足及研究有限有关。干旱是作物生产力的主要威胁，耐旱性为受QTL内众多数量性状核苷酸（quantitative trait nucleotide, QTN）调控的复杂数量性状，并受基因型×环境（G × E）互作影响，导致耐旱育种进展受限。随着穇子全基因组序列可用，GAB可用于性状特异群体定位、分子标记开发和QTL操控；该综述聚焦GAB在耐旱穇子品种改良中的应用。
2. 穇子对干旱胁迫的响应及其对GAB的启示
干旱导致穇子形态、生理、生化和分子层面变化，包括根系深密、叶面积和生物量降低、叶片萎蔫和卷曲，以及CO
2同化、气孔导度、相对含水量、光合色素和气体交换改变。植株通过有机渗透物和离子维持渗透平衡，并通过超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、谷胱甘肽还原酶（GR）、愈创木酚过氧化物酶（GPX）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）等抗氧化酶及非酶抗氧剂清除活性氧（ROS）。这些响应由遗传背景、胁迫强度、时期和环境共同影响，构成复杂表型。表型变异可作为GAB靶标，但耐旱适应多基因性、G × E、阶段依赖表达及遗传力、重复性、产量相关性和大尺度表型可行性限制其转化为已验证基因组靶点；目前仅少数根/苗性状QTL及农艺、产量、干旱评分和持绿等性状的关联作图被研究。
3. 遗传变异作为耐旱性来源
穇子基因库包括初级、次级和三级基因库，主要多样性中心位于非洲，次级中心位于印度。种质依据花序紧凑度、形状、长度和宽度分为Elongata、Plana、Compacta和Vulgaris等race，并进一步划分subrace；已有涵盖23个国家、四个race及其subrace的314份种质多样性面板。全球保存约40,183份穇子种质，主要为地方品种，可能蕴藏尚未开发的耐旱新基因。栽培穇子内籽粒颜色、生长习性和开花时间等变异与逃旱和避旱机制有关；基于DArTseq单核苷酸多态性（SNP）标记的分析显示，地区与生物状态间的遗传分化较race间更明显，非洲种质在重要农艺性状上利用仍不足。
4. 穇子耐旱育种策略
4.1 花器机制与杂交
穇子以自花授粉为主，小花为闭花受精，花药在开花前散粉且花粉寿命短，自然异交概率低于1%。人工去雄困难，接触法杂交结籽少；热水去雄以48–52°C处理5 min可有效去雄，高湿度处理可促花药伸出而不散粉。雄性不育系如PS1已在非洲和亚洲育种计划中应用，但杂交效率仍是限制因素。
4.2 耐旱预育种
育种目标涉及抗病尤其blast、耐旱、耐盐、机械收获、抗倒、耐热和增产等多性状。全球已释放约235个穇子品种，耐旱常为多个育种计划的重要性状。预育种通过筛选耐旱相关组分并鉴定耐旱供体，研究报道了耐旱组分与产量关联、生殖期干旱下光合速率、气孔导度、蒸腾速率下降和叶温上升，以及若干表现较优的耐旱基因型。
4.3 GAB
GAB利用分子标记识别目标性状、基因及其功能，标记由传统分子标记发展到EST-SSR和SNP；工具包括标记辅助回交、关联作图、GS、先进回交QTL、标记辅助轮回选择和单倍型育种等。其前提为基因组信息、有效表型平台和性状特异作图群体。穇子品种ML365和PR202基因组序列揭示85,243个基因及丰富SSR；基因型依赖表型可减少昂贵表型评价、缩短复杂性状育种周期并提高选择效率。
4.3.1 穇子耐旱QTL鉴定
耐旱性受QTL内多个QTN调控，遗传复杂。下一代测序提高高通量基因分型效率，但穇子QTL研究仍受基因组资源不足、群体规模小、标记分辨率低及杂交和作图群体构建困难限制。已有双亲群体定位开花期、株高、穗数及NBS-LRR型抗病基因；利用128份来自18个国家的种质定位低磷和适磷条件下根干重、苗干重和根长相关QTL（qLRDW.1、qLRDW.2、qHSDW.1、qHRL.1）；利用IE-2606×PR-202的100个重组自交系在低磷和高磷条件下定位多个QTL。总体而言，已鉴定QTL多为候选位点，仍需独立验证。
4.3.2 耐旱标记辅助选择（MAS）
MAS可在不完全依赖表型的情况下选择耐旱性，根性状相关QTL已用于连锁标记筛选。水利用效率、早期活力、渗透保护物积累、物候、渗透调节、持绿和根系构型等性状QTL定位可加速MAS；但标记-QTL关联需在不同遗传背景和对比环境中验证。参考基因组、标记集、连锁图和转录组数据是MAS基础；高通量标记使大群体基因分型和超高密度图谱构建可行。穇子全基因组组装揭示干旱响应基因家族和SSR，GBS鉴定的SNP用于标记-性状关联（MTA），RNA-seq和iTRAQ鉴定的差异表达基因和蛋白可用于候选基因标记；然而尚无广泛报道通过MAS育成耐旱穇子品种，主要受标记验证和常规高通量基因分型能力限制。
4.3.3 穇子干旱相关性状关联作图
关联作图可指导根系构型、幼苗活力、蒸腾效率、持绿、叶卷曲、花期、低水分下产量稳定性、收获指数及渗透物和抗氧化酶等性状选择。自然群体、野生近缘、mini-core和育种面板常用于关联作图，混合模型（MLM）、多位点MLM（MLMM）和多性状MLM（MTMM）用于控制群体结构和亲缘关系。已有研究利用SNP在113份种质中检测产量及组分相关MTA；在448份基因型、24,112个高质量SNP中于5B和8A染色体鉴定干旱QTN，分别解释33.8%和38.7%表型变异，并报道70个MTA和单倍型；EcMDHAR为耐旱候选基因。但多数位点尚未在独立群体、不同育种背景和不同季节验证；样本量常低于300、标记密度差异大、多环境测试不足，且自花授粉异源四倍体连锁不平衡衰减慢，需高密度标记和基因组注释。
4.3.4 耐旱GS潜力
GS利用全基因组分子标记，结合表型、系谱、亲缘和基因型数据估计基因组估计育种值（GEBV），据此选择优良个体；相比仅关注主效QTL的MAS，GS更适合低遗传力、上位性、强G × E和多基因控制的性状，可缩短周期、降低成本并提高选择强度和准确性。穇子已具备参考基因组、SNP资源、多样种质和高通量表型（HTP）潜力，但尚无显著GS耐旱实践。当前需建立代表性、表型充分且遗传多样的训练群体（TP），获取多环境表型-基因型数据；TP设计应考虑群体结构，可采用先广泛基因分型、后选优化子集深度表型的两阶段策略。GS模型包括参数、非参数和半参数模型，需通过K折交叉验证（CV）或留一家系/群体CV比较预测准确性；耐旱性状应具备较大遗传变异、较高遗传力、与产量相关、跨世代/背景/环境稳定且可量化。穇子GS仍处开发与展望阶段。
5. 功能基因组学及其在穇子干旱胁迫育种中的作用
功能基因组学用于解析复杂性状的分子机制。穇子耐旱、耐盐、耐贫瘠和抗病性涉及启动子、转录因子（TF）和调控蛋白；已报道EcDehydrin7、EcTAF6、EcGBF3、EcCaM、EcNAC1/EcNAC67、EcCIPK31-like、EcbHLH57、EcbZIP60和EcbZIP17等基因家族，部分在烟草、拟南芥或水稻中验证可提高耐逆性，但穇子综合胁迫调控网络仍处早期。基因组和转录组分析用于鉴定干旱响应基因及其表达，RNA-seq和iTRAQ等揭示大量差异表达基因和蛋白及渗透物合成、ROS清除等通路。代谢组、DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA调控等表观基因组层可解释转录响应相似而适应差异显著的现象；穇子干旱代谢组研究仍有限，需多组学整合。
6. 穇子干旱相关基因基因组编辑的可行性与现状
基因组编辑可将耐旱相关基因鉴定推进至功能验证和精准改良。染色体尺度参考基因组、SNP数据和干旱响应基因证据提高编辑可行性，但依赖高效可重复转化再生体系。穇子成熟种子在含2.0 mg L
?1 2,4-D培养基上愈伤诱导率可达94%，体细胞胚发生已有报道；近期基于茎尖的农杆菌介导转化再生系统实现无愈伤成苗，在PR-202和VL-376中转化效率达30%，并成功导入靶向EcCKX2的CRISPR/Cas9构建，直接编辑验证仍为后续目标。候选靶点包括EcDehydrin7、EcNAC67、EcGBF3、EcbZIP和EcMDHAR等，需异源验证；因耐旱为多基因性状，宜选择中等功能改变可提高适应且少负产量的靶点，碱基编辑和prime editing可用于有利SNP/等位基因。
7. 其他谷物共线候选区与QTL的比较基因组学
比较基因组学可通过禾本科共线性挖掘耐旱相关区段。穇子与foxtail millet、rice和Brachypodium分别鉴定1709、1592和436个大共线块，覆盖约98%、97%和82%穇子基因组；水稻中7%共线区与 abiotic stress 相关，12%与耐旱关键根性状相关。218个全基因组微卫星标记中约90%在rice和finger millet间映射至共线位置，多位于染色体臂远端14%。跨物种meta-QTL、DRO1和珍珠粟LG2末端干旱QTL等提示保守耐旱位点可被挖掘；穇子高分辨率QTL有限，比较作图有助识别保守耐旱区，但DRO1在穇子中尚未注释，序列比对仅提示存在直系同源区段。
8. 整合基因组与表型组信息以加速耐旱遗传增益
育种方程R = i·r·σ
A及年遗传增益ΔG
y = i·r·σ
A/L表明，选择响应取决于选择强度、选择准确性和加性遗传标准差，年增益还受世代间隔影响。常规基于产量的选择在干旱下因遗传力低和G × E强而慢、贵且低效。将HTP获得的动态耐旱性状与基因组数据结合，可提高预测准确性、选择强度，降低表型成本并缩短周期。全球约235个改良穇子品种主要通过纯系和轮回选择育成，其中59个具增强耐旱性，但杂交成功率低于3%等限制进展。HTP在穇子应用有限，其他作物已用自动/半自动传感器和精准表型平台；SCIPDb等数据库和机器学习模型可解析复合胁迫。foxtail millet的HTP+GWAS、小麦HTP+GWAS及HTP+基因组预测已有证据；表型组选择（PS）以近红外光谱等替代分子标记，与GS同属预测育种。穇子需建立多环境TP，比较SNP-GS、PS和整合基因组-表型组预测。
9. 穇子GAB的挑战与未来机遇
9.1 基因组资源有限与基因组复杂性
穇子为异源四倍体，重复区域多，亚基因组A和B序列高度相似，并存在结构重排和A对B的不对称表达，可干扰读段比对、SNP发现、同源等位变异判定和单倍型重建。标记密度不足或基因型判定模糊会降低QTL定位和GWAS分辨率，并影响标记效应和基因组育种值估计。需发展高质量染色体级组装、泛基因组、结构变异目录和同源等位基因解析注释。
9.2 群体大小与组成
小群体限制GAB统计功效。穇子育种群体常较小、碎片化或多环境表型不足，影响GWAS小效应位点检测及GS预测准确性和稳定性。GS预测准确性依赖TP与选择候选间关系及TP对目标育种群体遗传多样性的代表性。应协调发展足够大、遗传多样的参考群体，并结合代表性环境重复表型，而非单纯增加个体数。
9.3 表型限制与PS机遇
干旱响应复杂、动态，根系构型、冠层温度、气孔行为、衰老、水分利用效率和干旱后恢复等性状缺乏标准化表型协议，且随基因型、发育阶段和干旱发生强度变化。GWAS、QTL分析和GS依赖可靠表型，需常规表型与HTP互补。成像平台昂贵且需基础设施和计算能力，穇子应整合HTP与基因组数据而非以表型组替代基因分型。
9.4 基因型×环境互作与跨环境预测
干旱时间、持续期和强度及温度、土壤、养分和管理差异导致强G × E，使某一环境下的耐旱位点在另一环境效应变小、不同或不可检测；在一个地点、季节或干旱 regime 训练的预测模型跨条件应用可能降低准确性。需多环境试验及纳入环境和表型协变量及其互作的模型。
9.5 候选位点验证与部署
SNP、QTL或GWAS信号可能源于连锁不平衡、群体结构、亲缘、环境效应或统计假象，未必适合作为育种靶点；异源四倍体中区分同源变异和功能拷贝困难。需用独立遗传群体、多环境、精细定位、单倍型分析和等位基因特异表达验证候选位点。多数已报道位点为初步候选，需基因表达、转基因或基因组编辑提供功能证据。
10. 结论（Conclusion）
GAB是穇子耐旱常规育种的有力补充。当前穇子进入基因组资源扩展期，但基因组发现与育种应用间差距仍大。QTL定位和GWAS为耐旱适应性状遗传结构奠定基础，却尚未广泛转化为MAS品种；MAS潜力受标记跨背景和环境验证不足限制。GS在穇子耐旱性中尚未探索，未来需建立TP、预测模型和CV策略。候选基因和干旱相关转录本多在模式作物验证，需在穇子中开展功能验证并改进转化体系以促进精准基因组编辑。比较基因组学可利用与已表征谷物的保守关系优先候选基因和共线区，但需改善穇子基因组注释。未来GAB不应依赖单一技术，而应整合扩展基因组资源、代表性群体、改良表型、多环境测试和功能验证，逐步纳入育种 pipeline。
