基于液相芯片的陆地棉（Gossypium hirsutum L.）种质精英等位基因遗传评价与杂交组合策略

《Agriculture》：Genetic Evaluation and Crossing Strategy of Upland Cotton Germplasm Based on a Liquid-Phase Chip

　　

该研究利用液相芯片（liquid-phase chip）对356份新疆陆地棉（Gossypium hirsutum L.）种质（184份北疆、172份南疆）在280个精英性状位点–性状组合（270个唯一标记）进行基因分型（genotyping）。采用KING-robust估计量推断成对亲缘关系，并以状态同源（identity-by-state, IBS）相似性进行交叉验证；通过主成分分析（principal component analysis, PCA）考察群体结构，并构建标记数加权的综合精英基因型指数（S）。总体缺失率为0.43%，检测到5对基因型相同和101对近相同种质对。PC₁和PC₂仅解释9.81%和7.29%的变异，区域间存在明显重叠。指数S范围为0.39–0.57，以Tkuo、Y80、Ba 44435、Ziyu R040068和Youzhi 5居前；耐盐性（salt tolerance, SALT；0.07）、皮棉产量（lint yield, SCY；0.14）、籽指（seed index, SI；0.19）和纤维强度（fiber strength, FS；0.22）在本研究所评分标记定义的精英等位基因携带率最低。排除近缘组合后，62,252个杂交组合（98.52%）满足约束条件，推荐30个杂交组合（其中19个为跨区组合），最佳组合为Ziyu TY112 × Tkuo（联合覆盖度U = 0.65）。这些亲本和组合为亲本选择提供候选，尚待田间验证。

研究背景与立题依据。新疆是中国棉花主产区，陆地棉（Gossypium hirsutum L.）的产量和纤维品质处于较高水平，但现代品种遗传基础狭窄制约进一步增产。基因组分析提示，中国陆地棉品种的精英等位变异约85%来自少数早期引进种质，新疆品种又源自少数骨干亲本，DNA指纹研究显示品种间遗传相似度高并存在同义材料。种质库存短期难以扩展，因此能否准确识别现有材料中的可用精英等位变异、避免近缘杂交造成的冗余，直接影响育种效率。种质评价工具已由简单重复序列（simple sequence repeat, SSR）多样性分析、固相单核苷酸多态性（single-nucleotide polymorphism, SNP）芯片发展到基于靶向测序基因分型（genotyping by target sequencing, GBTS）的液相芯片（liquid-phase chip）；功能位点芯片可围绕已验证标记–性状关联直接读出目标性状的基因型价值。核心种质理论以遗传代表性为核心，而育种实践更关注精英等位基因的携带与互补，两者对同一批材料排序不同。杂交还需兼顾亲缘约束与性状互补，标记遗传距离与杂种优势关联中等且随性状和标记类型变化，基因组选择对上游亲本选择和杂交组合决策的直接支持有限。因此，研究人员将功能位点基因型、亲缘约束和量化等位互补整合进杂交框架，以提供可直接使用的候选亲本和组合清单。

主要关键技术方法。研究人员分析356份新疆陆地棉种质，其中184份北疆种质于2025年生长季种植于石河子、172份南疆种质种植于铁门关，现蕾期取叶提取DNA。采用Zheda Mianxin 41 K SNP液相芯片（基于GBTS）在280个精英性状位点–性状组合（270个唯一标记）分型；以KING-robust估计量推断亲缘系数，并用IBS相似性和Hamming距离交叉验证；以PCA分析群体结构；构建标记数加权的综合精英基因型指数（comprehensive elite genotype index, S）；排除二级及以内亲缘或高一致基因型后，以联合精英等位基因覆盖度（joint elite allele coverage, U）和互补增益（complementarity gain, Comp）筛选并去重推荐杂交组合。

研究结果。3.1 基因型数据质量：通过芯片分型和质控统计，总体缺失率为0.43%，单份种质最多5个缺失标记，平均携带19.42个杂合标记；精英等位基因频率呈双峰分布，剔除14个单态标记后仍有71个多态标记的次要等位基因频率（minor allele frequency, MAF）低于0.05，提示定向选择作用；皮棉百分率（lint percent, LP）标记数最多（34个），其次为纤维伸长率（fiber elongation, FE；30个）、籽指（SI；28个）、纤维强度（FS；27个）和纤维长度（fiber length, FL；24个）。3.2 亲缘关系：通过KING-robust、IBS相似性和Hamming距离分析，全部种质对IBS相似性中位数为0.78；检测到5对基因型相同种质，其中Jingkang 1与Hexin Ta 2及Tahe 2 Xiaoling相同，唯一跨区相同对为CF Ta 2 Tigao与Xinluzhong 84；另检测到101对Hamming距离为1–2的高度一致种质对，合计106对Hamming距离≤2；结合KING估计量与基因型一致性，共识别938对近缘或高度一致种质对，KING亲缘矩阵与IBS相似性矩阵呈一致块对角结构。上述相同或近相同对被视为候选合并对象，而非已确认重复。3.3 群体结构：通过PCA及IBS矩阵比较，PC₁和PC₂分别解释9.81%和7.29%的变异，南北疆种质明显重叠；区域来源仅解释PC₁变异的2.31%，效应量较小；IBS平均相似性在北疆内为0.7702、南疆内为0.7950、区域间为0.7795，区域来源仅解释成对相似性变异的0.03%；需49个主成分才达到80%变异，区域标签不能作为遗传距离的可靠替代。3.4 精英等位基因遗传评价：通过S指数评估，S范围为0.39–0.57，中位数0.45；前五为Tkuo（0.571）、Y80（0.537）、Ba 44435（0.534）、Ziyu R040068（0.528）和Youzhi 5（0.525），可作为聚合精英等位基因的核心亲本；纤维整齐度（fiber uniformity, FU；0.85）、第一果枝节位（first fruiting branch position, FFBP；0.85）和LP（0.75）平均携带率最高，SALT（0.07）、SCY（0.14）、SI（0.19）和FS（0.22）最低，为候选导入重点，但受位点覆盖限制。3.5 亲本杂交策略：通过排除近缘或高度一致组合后按U排序并去重，62,252个组合（98.52%）满足亲缘约束，推荐30个组合，其中19个为北疆×南疆跨区组合（63.33%）；最佳为Ziyu TY112 × Tkuo（U = 0.65，Comp = 0.12），其次为Ziyu R040068 × Zhongmian 96A（U = 0.63，Comp = 0.13）；推荐组合亲本间IBS遗传距离为0.25–0.41，中位数0.30，位于全部候选组合的第92百分位，反映选择时的亲缘约束，并非已证明降低近交衰退。对106对候选重复/近重复对的检查显示，41对发生在两个区域组之间，30份种质出现在多个对中，其中一份最多涉及14对；79对名称无对应，需结合系谱和种源记录确认。

讨论与结论。讨论部分指出，精英等位基因携带率在性状间高度不均衡，LP、FFBP和FU等长期受强选择性状携带率较高，而SALT、SCY、SI和FS较低，这与陆地棉选择历史一致；产量和品质相关位点多效性及连锁拖累普遍，耐盐相关小效应位点较多，但本面板仅含单个耐盐位点，相关推断需表型确认。方法学上，KING-robust估计量在高度自交材料中受杂合度低（总体6.96%）影响，绝对校准偏移，故研究人员采用KING估计量、IBS相似性和Hamming距离的双重排除标准。南北疆种质在PC₁–PC₂上重叠明显，区域来源解释的方差很小，区域标签不是遗传距离的良好替代，跨区组合优势应逐对量化。U基于性状水平精英等位基因覆盖，隐含精英等位基因在子代显性保留的假设，Comp衡量亲本互补超过亲本均值；该框架未纳入表型稳定性、一般配合力（general combining ability, GCA）和特殊配合力（specific combining ability, SCA），其显性–互补假设尚需田间验证。研究人员计划在石河子和铁门关多年多点验证排名靠前组合并追踪亲本精英等位基因保留。核心亲本、缺陷性状载体和候选组合可直接用于分子育种系统；功能位点液相芯片已用于亲本选择和标记辅助选择（marker-assisted selection, MAS），本研究位点基因型数据可作为训练群体输入。局限性包括携带率受位点面板组成影响、每性状标记数不均（LP为34个，SALT、SCY、FFBP等仅单标记）、标记–性状关联多来自其他面板和环境、亲缘系数未绝对校准且无全基因组SNP、S和U的标记数加权使个别组合排名敏感、单季两地无表型数据、候选重复/近重复对缺乏系谱记录，故推荐组合是待田间验证的候选而非最终杂交决策。

研究结论（翻译）：利用液相芯片上280个精英性状位点–性状组合（270个唯一标记），研究人员完成了356份新疆陆地棉种质的遗传评价与杂交策略构建。总体基因型缺失率为0.43%，数据质量可靠；区域间遗传分化较弱，但存在5对基因型相同和101对高度一致种质，亲本选择时应筛除同义材料。综合精英基因型指数S范围为0.39–0.57，Tkuo（0.571）、Y80（0.537）、Ba 44435（0.534）、Ziyu R040068（0.528）和Youzhi 5（0.525）排名前五，为候选核心亲本；耐盐性、皮棉产量、籽指和纤维强度在本研究所评分标记定义的精英等位基因携带率最低，仍需表型确认。在近缘排除约束下推荐30个杂交方案（19个跨区），最佳组合Ziyu TY112 × Tkuo的联合精英等位基因覆盖度为0.65。这些核心亲本、缺陷性状载体和推荐组合为陆地棉亲本选择、种质创新和分子设计育种提供候选，实际育种价值需多年多点田间试验确认。