巴西半干旱区柱花草属种质资源遗传多样性与基因型×环境互作的多环境评价

《Genetic Resources and Crop Evolution》：Genetic diversity of Stylosanthes spp. accessions evaluated in different environments

　　

优化巴西半干旱地区动物生产可持续性的一个替代方案是利用本地饲草物种，如柱花草属（Stylosanthes Sw.），该属因其对土壤气候条件的适应潜力及干物质生产能力而突出。因此，本研究旨在利用17个与株高、营养结构和生物量生产相关的定量形态农艺描述符，对来自巴伊亚州费拉迪圣安娜州立大学饲草种质库（FGB-UEFS）的16份柱花草属（Stylosanthes spp.）种质进行评价。试验于2023年5月至9月在两个环境（巴伊亚州希克希克和巴伊亚州费拉迪圣安娜，巴西）中进行。采用随机完全区组设计，三次重复。对数据进行单变量和多变量分析以估算遗传参数。检测到显著的基因型×环境互作效应，遗传参数估算表明在评价条件下基于大多数描述符具有选择潜力。两个地点均形成两个类群，其中一个类群包含所有种质，另一个类群仅由Bela品种组成。种质BGF 014-095P118-1、BGF 014-P99和BGF 012-026在多个描述符的选择增益方面表现最高。总体而言，这些初步结果表明FGB-UEFS中保存的柱花草属（Stylosanthes spp.）种质存在遗传变异，并提示其通过形态农艺性状选择在育种计划中的应用潜力。然而，这些发现仅限于试验条件，需要跨更多环境和生长季节的进一步评价加以验证。

柱花草属种质资源遗传多样性研究：多环境评价与育种应用潜力解读

一、研究背景与意义

柱花草属（Stylosanthes Sw.）是热带和亚热带地区重要的豆科饲草资源，在干旱和半干旱生态系统中具有突出的应用价值。该属植物可用于直接放牧、单作或与禾本科牧草间作、干草生产以及退化区域的建立与恢复，同时具有较高的固氮效率、蛋白质含量和耐旱性。巴西拥有该属最丰富的物种多样性，已记录32个物种。在巴西半干旱地区，已有研究证实柱花草属在生物量、生化和饲草营养成分描述符方面存在遗传变异，部分基因型具有直接用于饲草生产或作为亲本形成育种分离群体的潜力。

然而，尽管费拉迪圣安娜州立大学饲草种质库（FGB-UEFS）保存了自2008年以来收集的约350份柱花草种质，但对该种质资源的系统评价和深入表征仍然不足。环境变异可能导致基因型与环境之间产生不同的互作效应，而理解基因型在不同环境波动下的表现对于提高育种计划中选择和推荐过程的效率至关重要。因此，本研究旨在利用形态农艺描述符，量化在巴伊亚州两个不同环境中栽培的柱花草种质的遗传变异，为育种计划中优良材料的筛选和利用提供科学依据。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员于2023年5月至9月在巴西巴伊亚州的费拉迪圣安娜和希克希克两个地点开展了田间试验。试验材料为来自FGB-UEFS的16份柱花草属种质（2012至2014年间采集自巴伊亚州半干旱地区），以商业品种Bela作为对照，共涉及S. scabra、S. capitata、S. viscosa、S. seabrana和S. guianensis五个物种。采用随机完全区组设计，三次重复，每小区3株植物，共9株/处理。移栽5个月后评价17个形态农艺描述符，包括株高、株径、分枝数、叶片大小及茎干质量（SDM）、叶干质量（LDM）和总干质量（TDM）等生物量指标。

研究采用的主要技术方法包括：方差分析（ANOVA）进行单点和联合分析以检验基因型、环境及基因型×环境互作效应；利用GENES软件按Cruz和Castoldi方法将互作分解为简单和复杂部分；采用REML/BLUP混合线性模型方法（Selegen软件）估算方差组分、遗传参数和选择增益；使用R环境中的主成分分析（PCA）降低数据维度并评估变量重要性；采用UPGMA层次聚类分析构建遗传距离矩阵和树状图，以平均欧氏距离衡量种质间遗传相似性。

三、研究结果

基因型×环境互作效应显著。 联合方差分析显示，除中央主轴长度（CPL）外，其余所有描述符的基因型×环境互作均达到显著水平。所有变量的互作均以简单型互作为主，表明不同环境下基因型的相对排序较为一致。大多数描述符的变异系数（CV）在8.00%至27.61%之间，而茎干质量和总干质量的CV值分别高达63.87%和59.64%。

遗传参数显示选择潜力。 方差组分分析表明，除初级分枝长/中央主轴长比（PBL/CPL）外，几乎所有描述符的遗传方差（V_g）均高于环境方差（V_r）和互作方差（V_g×e）。广义遗传力（h²_g）范围为0.200至0.916，基因型均值遗传力（h²_mg）在大多数描述符中高于0.70。选择性准确度（r_gg）在大多数植物描述符中达到很高（>0.90）或高（0.70-0.90）水平。大多数描述符的基因型相关系数（r_g）在0.67至1.0之间，属高相关。所有描述符的遗传变异系数（CV_g）均高于20%，除PBL/CPL外所有描述符的相对变异系数（CV_r）均大于1。

选择增益鉴定优良种质。 基于REML/BLUP方法对最优四个种质的选择表明，选择增益值较高，其中生物量性状增益最高。种质BGF 014-095P118-1（S. capitata）、BGF 014-P99和BGF 012-026（均为S. viscosa）以及商业品种Bela在大多数性状中表现出最高的选择增益，被鉴定为优良材料。

主成分分析揭示性状关联模式。 在希克希克，前两个主成分（PC1和PC2）共同解释76.6%的变异；在费拉迪圣安娜，PC1和PC2共同解释73.4%的变异。PC1主要与饲草体积相关性状（株高、分枝长、分枝数、叶和茎干质量、中央轴长、小叶长）关联，PC2主要与形态性状（小叶长宽）及体积变量比值（PBL/CPL、SDM/LDM、PD/PH）关联。品种Bela在两个地点均表现出与其他种质不同的形态农艺特征。S. scabra种质在希克希克与PC1主要贡献描述符呈负相关，表明这些种质在这些性状上趋于较低值。BGF 014-P99在费拉迪圣安娜与分枝数和茎干质量正相关，但其与SDM的强关联提示茎部在生物量中占比较高，可能影响饲草消化率。

UPGMA聚类形成一致分组模式。 两个地点的树状图均形成两个类群，一个类群包含所有种质库种质，另一个仅由品种Bela单独组成。共表型相关系数在希克希克为0.82，在费拉迪圣安娜为0.91，表明聚类质量良好。品种Bela的独立分离可能与其作为S. guianensis的唯一代表以及来自塞拉多地区的不同地理来源有关。种质间的聚类未能按物种或地理来源区分，表明形态农艺相似性和分类学差异对聚类结构的影响大于地理来源。

四、讨论与结论

讨论部分指出，显著的基因型×环境互作表明种质在不同环境条件下存在差异响应，但简单型互作占主导说明种质相对排序在环境间保持相对稳定，同一基因型可推荐用于不同环境，有利于筛选具有广泛适应性的优良材料。高遗传力和选择性准确度值表明大多数表型变异源于遗传因素，基于这些性状的选择可高效进行。遗传参数估算结果与已有柱花草研究一致，证实了种质库中遗传变异的可利用性。

研究结论如下：在评价的试验条件下，所分析性状存在基因型×环境互作效应，且以简单型互作为主；种质表征证实了研究材料中存在可利用的遗传变异，可用于半干旱条件下育种计划的分离群体构建；CFL、CFC、CRP、CECP、EP、MSF、MSC和MST描述符在分析中表现突出，与生物量生产等农艺相关方面密切相关，可作为饲草育种计划中材料筛选的参考指标；种质BGF 014-095P118-1、BGF 014-P99和BGF 012-026是有价值的后续育种研究材料，但其农艺潜力和稳定性仍需通过更多生长周期、环境和重复的进一步评价加以确认。