通过表型和标记辅助选择整合预测育种方法用于普通菜豆希腊地方品种的产量及BCMV抗性研究

《Plants》：Integrating Prognostic Breeding Approach Through Phenotypic and Marker-Assisted Selection for Yield and BCMV Resistance in Common Bean Greek Landraces Eirini N. Demertzi, Lefkothea Karapetsi, Chrysanthi I. Pankou, Nefeli Vasileiou, Eleftheria Georgiadou, Anastasia Kargiotidou, Varvara I. Maliogka, Dimitrios Vlachostergios, Panagiotis Madesis and Athanasios G. Mavromatis

　　

针对普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）育种中的主要挑战，本研究实施了一种综合策略，旨在评估七种基因型（地方品种和商业品种）在地中海低投入条件下的产量潜力、稳定性及对菜豆普通花叶病毒（BCMV）的抗性。核心方法包括纯系选择、预测育种以及简单重复序列（SSR）和切割扩增多态性序列-特异性扩增片段（CAPS-SCAR）标记辅助选择（MAS）。研究检测到24个形态农艺性状指标存在显著变异，SSR揭示48.57%的多态性位点及特定地方品种中的特有等位基因。产量相关性状表现出较高的遗传变异系数和遗传力。表型评估显示对BCMV的反应多样，轻度症状占主导（52.14%）。基因型G1（45%）和G5（35%）表现出最高频率的无症状抗性表型。在I和bc-3/eIF4E位点的分子检测证实G5具有稳健的显性I基因谱，而G1包含携带显性I基因和隐性bc-3的个体，为抗性基因聚合提供了宝贵资源。此外，G1（LI = 2.35; 100%）在生产率方面表现强劲，而G2（SI = 3.1; 100%）和G7（SI = 2.8; 89.7%）表现出卓越的稳定性。总体而言，混合模型方法强调了测试基因型的互补特性，并确定G1、G2、G5和G7作为未来育种计划中针对高产量、低投入适应性及BCMV抗性的候选基因型。

该研究针对普通菜豆（Phaseolus vulgaris L.）在全球粮食和营养安全中的核心地位，以及其生产过程中面临的生物与非生物胁迫导致的产量不稳定性问题，特别是在地中海低投入种植条件下对抗病性与稳产性的迫切需求。研究人员通过开展结合形态学、分子标记及预测育种（Prognostic Breeding）的综合评价，旨在挖掘希腊地方品种资源，筛选兼具高产潜力和菜豆普通花叶病毒（BCMV）抗性的优异基因型。研究结果表明，通过整合表型与标记辅助选择（MAS），能够有效鉴定出G1（Pyrgetos）、G2（Florina）、G5（Kileler）和G7（Smyrni）等具有育种价值的种质资源，这些材料在遗传多样性、抗病性及稳定性方面表现出显著的互补特征，为应对气候变化下的可持续农业提供了重要的基因源。该研究成果已发表于《Plants》期刊。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：（1）基于UPOV和Bioversity International指南的24个形态农艺性状表型评估；（2）利用5对SSR引物进行遗传多样性分析与群体结构解析；（3）应用SW13（SCAR）和BCMV-CAPS及ENM-FWe/Rve（针对bc-3/eIF4E）标记进行BCMV抗性基因分型；（4）采用R-7蜂窝设计（Honeycomb design）结合线预测方程（LPE）和植株预测方程（PPE）进行产量潜力和稳定性指数的预测育种评估；（5）利用Shapiro–Wilk检验、方差分析（ANOVA）、Skott–Knott聚类、UPGMA聚类及主坐标分析（PCoA）等统计学方法处理多维数据。

1. 基于形态学和分子方法的遗传多样性

研究人员通过分析24个形态农艺性状发现，定性性状多态性较低（50%单态），而定量性状存在显著基因型差异。值得注意的是，种子百粒重平均达50.89 g，显著高于既往研究，这归因于蜂窝育种设计消除了种间竞争。遗传参数估计显示，株高、叶片宽度等性状具有较高的广义遗传力（H2 > 60%）和遗传变异系数（GCV > 20%），表明表型选择有效。SSR分析检测到48.57%的多态性位点，G6（Karatzova）表现出最高的等位基因丰富度。形态学与分子数据的Mantel检验相关性极弱（r = 0.0135），证实了结合两种方法的必要性。

2. BCMV抗性的表型筛选与分子表征

通过对20株/基因型的表型筛查，发现72.14%的植株表现为抗性/耐受。G5（85%）和G1表现出优异的抗性谱系，其中G1有45%的个体表现为无症状抗性。分子检测显示，G5拥有稳健的显性I基因，而G1群体中同时存在携带I基因和隐性bc-3基因的个体。测序分析揭示了I基因内部的关键SNP位点（如225–228 bp处的TCGA/TCGG突变），解释了SCAR标记SW13可能出现的假阴性现象。研究表明希腊地方品种中存在宝贵的bc-3抗性基因源。

3. 产量潜力与性能稳定性的预测育种

基于蜂窝设计的预测育种分析显示，G1（Pyrgetos）具有最高的线预测方程值（LPE = 6.88）和植株预测方程均值（Mean PPE = 9.3），表现出卓越的产量潜力和稳定性（SI = 2.9）。G2（Florina）虽产量中等，但稳定性指数最高（SI = 3.1）。研究证实，通过LPE和PPE方程可有效在早期世代筛选出具有理想基因型（G1、G2、G5、G7）的单株，实现产量与抗逆性的同步改良。

综上所述，讨论部分指出，尽管商业品种在均一性上具有优势，但希腊地方品种保留了丰富的抗病基因和适应性性状。G1因其同时携带I和bc-3基因且产量表现最佳，成为基因聚合的理想亲本；G2则因其极高的稳定性指数被推荐用于应对气候波动。该研究建立的形态-分子-预测育种三位一体评价体系，为低投入可持续农业体系下的作物遗传改良提供了标准化范式。研究人员强调，未来应通过G1与G5的杂交，结合接种鉴定，进一步验证Ibc-3基因聚合后代的抗病持久性。