《Frontiers in Plant Science》：Modern approaches and future prospects in lettuce breeding for controlled environment agriculture
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受控环境农业（controlled environment agriculture, CEA）正作为一种气候适应性策略快速扩展，可在消费中心附近实现莴苣的周年生产。然而，尽管其供应链优势和高生产率显著，CEA种植莴苣的经济可行性和可扩展性仍受制于对为多变露地条
受控环境农业（controlled environment agriculture, CEA）正作为一种气候适应性策略快速扩展，可在消费中心附近实现莴苣的周年生产。然而，尽管其供应链优势和高生产率显著，CEA种植莴苣的经济可行性和可扩展性仍受制于对为多变露地条件而非室内生产系统稳定、高投入且空间受限环境所培育品种的持续依赖。现有种质与CEA特定生产需求之间的这种错配，代表了一个在莴苣育种中尚未被全面解决的关键缺口。本综述讨论了育种优先方向向专门针对CEA优化品种转变的必要性，重点强调可提高单位能量、时间和种植面积产出的性状。关键育种目标包括加速生长和缩短种植周期、增强光能利用效率（light-use efficiency, LUE）和光合性能、改善对极端温度的耐受性、适于高密度生产的紧凑株型、优化水培系统中 shoot-to-root 生物量分配，以及对主要CEA相关生理性病害、害虫和疾病的抗性。由于CEA减少了诸多田间相关胁迫因子，育种工作可更多侧重于消费者和市场导向性状，包括稳定的产品品质、增强的营养价值以及与自动化生产系统兼容的一致性。本综述整合了关于这些CEA靶向性状的分散证据，并将其与现代莴苍育种工具箱相关联，为受控环境下的品种开发提供了框架。我们概述了如何整合从常规遗传学和标记辅助选择（marker-assisted selection, MAS）到基因组选择（genomic selection, GS）以及CRISPR等基因编辑技术的多种方法，以加速这些复杂性状组合的遗传增益。此外，高通量表型分析（high-throughput phenotyping, HTP）、人工智能（artificial intelligence, AI）和多组学平台的整合，为解析基因型-环境互作并优化受控环境下的莴苣提供了一种强大的数据驱动方法。通过识别关键知识缺口并勾勒靶向育种框架，本综述为开发面向下一代CEA的资源高效、高性能、品质导向的莴苣品种提供了路线图，从而提升该行业的盈利能力、可持续性以及满足快速城市化全球人口粮食需求的能力。
1 引言
论文指出，莴苣（Lactuca sativa L.）是全球消费最广、经济价值最高的叶菜之一，2024年全球产量达2820万吨，美国2025年产量为510万吨，占全国蔬菜总产值的约30.72%。莴苣也是有机蔬菜领域的优势作物，2021年有机市场价值约2.756亿美元。然而，美国莴苣生产高度集中于加利福尼亚州和亚利桑那州，这种地理集中性加剧了对气候驱动干扰的脆弱性，例如2023年加州萨利纳斯谷因春季恶劣天气和洪水造成约3.241亿美元损失。传统露地生产面临气候变化、劳动力与投入成本上升等挑战，推动了CEA的快速发展。2014至2019年间，美国CEA莴苣种植面积增加28%，产量翻倍至约2500万公斤。CEA通过精确调控温度、湿度、光照、营养和CO2等环境因子，可提高资源利用效率（resource-use efficiency, RUE）、作物品质和生产力。CEA莴苣平均产量（3.68 kg/m-2）高于露地（1.88 kg/m2），垂直农场平均可达6.88 kg/m2，主要得益于平均40天的缩短种植周期。然而，当前大多数商用莴苣品种是为露地条件培育的，与CEA特定环境不匹配，这是制约CEA经济可行性的根本问题。本综述旨在整合CEA靶向育种优先方向，构建统一框架，涵盖育种目标转变的合理性、关键育种靶标以及实现这些目标的育种策略和工具。
2 莴苣CEA育种的意义
作物生产力取决于遗传潜力与环境条件的互作。传统莴苣育种强调在异质田间环境下的稳定表现，而CEA通过精确调控环境因子，使基因型能在更可预测和一致的环境中表达遗传潜力。CEA的经济约束主要来自高建设与运营成本，照明和温度调控占运营支出的很大比例，照明单独约占系统总运营费用的10–50%。欧盟委员会分析显示，室内垂直农场电费支出可高达收入的60%，仅27%的企业实现盈利。近期多家垂直农业公司面临破产或大幅缩减，表明仅靠工程创新（如更高效的LED、改进的HVAC系统、自动化）尚不足以弥合经济差距，品种改良和育种成为关键补充。遗传改良一旦将优良等位基因整合到精英品种中，其效益可重复部署，无需基础设施升级的经常性资本支出。CEA育种应转向提高单位时间和资源投入的产出，特别是生长速率和RUE。紧凑株型和作物一致性在多层层架系统中尤为重要，有利于高密度种植、减少层间干扰并提高与机械化收获和自动化的兼容性。此外，CEA育种还可更侧重品质性状，如营养组成、外观吸引力、风味、质地和采后表现，例如红叶莴苣在人工光照下花青素积累不稳定，需要专门培育室内光照条件下色素沉着稳定的品种。遗传改良与工程创新应视为互补策略，共同提升CEA莴苣生产的盈利能力、可持续性和长期可扩展性。
3 CEA莴苣的育种优先方向
3.1 增强生长速率和产量潜力
在CEA中，盈利能力与单位面积、时间和能量投入产生的可销售生物量相关。更快的生长速率意味着更快的作物周转，降低单位作物的照明和气候控制能耗成本。水培可缩短种植周期，例如深水培（deep-water culture, DWC）中莴苣40.5天成熟，而土壤栽培需48天。然而，快速生长并非无生理约束。叶尖灼伤（tipburn）源于快速扩张的内叶钙需求超过钙供应，即使根区钙充足，高湿和空气流动不足限制蒸腾，或高光高温加速叶扩张增加钙需求，均可导致局部Ca2+缺乏。植物水平建模显示，随着光合光子通量密度（photosynthetic photon flux density, PPFD）增加，当前品种在约287 μmol m-2 s-1（22°C）时达到库限制产量，进一步提高光强无额外收益。因此，CEA莴苣育种不能仅关注提高光合能力或缩短周期，还需结合更高库容量、稳定碳分配（如改善收获指数、控制叶扩张）以及高效Ca2+转运和遗传性叶尖灼伤抗性。
3.2 资源利用效率
3.2.1 电光照明下的光能利用效率和光合性能
室内垂直农场完全依赖人工照明，照明费用占CEA总运营成本的10–50%。育种应从最大化生物量转向优化能量向可销售产量的转化，使光能利用效率（LUE，单位入射光产生的生物量，g/mol）成为关键性状。未来CEA莴苣品种可培育为在低光条件（<100 μmol m-2 s-1）下保持可销售品质，减少光子需求。可通过CRISPR/Cas9等工具靶向叶绿素含量、光系统II量子产量（ΦPSII）和电子传递速率等LUE相关性状。值得注意的是，基因型对LED光谱的响应存在差异，不同红蓝光（R:B）比例对不同品种产生不同最优效果，例如意大利抗抽薹莴苣在R:B 60:40下促进根系发育和抗氧化能力，而R:B 80:20支持稳健生物量生产；巴达维亚莴苣则在R:B 70:30下叶绿素和类胡萝卜素含量最高。蓝光增强光谱通常有利于色素积累和营养品质，而远红光可增强冠层扩张和生物量，但降低花青素浓度。因此，育种应明确靶向基因型×光谱组合，选择光受体信号、光合效率和代谢输出针对商业CEA系统中特定红、蓝、远红光环境优化的品种。
3.2.2 水分和养分利用效率
水培莴苣生产每公斤鲜重约用水20升，而露地生产约250升，减少92%主要归因于闭环循环和受控蒸腾。遗传改良WUE针对工程和系统设计无法捕获的残余变异。在莴苣×野生莴苣重组自交系群体中，碳同位素判别（δ13C）、蒸腾速率、气孔导度和产量相关QTL各解释约4–23%的表型方差。WUE育种目标可选择δ13C值、蒸腾干重比或气孔导度低于当前商业品种的基因型，同时在充足和减少供水条件下维持或增加鲜重产量。对于氮利用效率（nitrogen use efficiency, NUE），实用育种目标是使品种在营养液电导率（EC）约1.2 dS m-1的较低水培最优范围内维持可销售地上部鲜重。关联作图在142个奶油生菜品种中鉴定出大量水氮捕获及其利用效率的标记-性状关联。实验验证的目标是在溶液氮浓度≤100 mg/L、NH4+-N:NO3--N比例约20:80时实现最大生物量。多家种子公司（Rijk Zwaan、Enza Zaden、BASF、Nunhems、Syngenta）已开发部分适用于水培和CEA生产的莴苣品种。
3.3 优化株型
CEA系统，特别是垂直农场和植物工厂，对植物形态提出不同于露地的空间约束。多层层架系统中，层间净空限制植物高度和冠层扩展，定义了垂直农业的实用株型理想型：紧凑株高、直立叶角、密集但不过度自遮荫的莲座以及全群体一致生长。此类性状可改善体积空间利用、实现更高种植密度并提高单位面积生产力。均匀性对自动化同样重要，因为围绕预期冠层尺寸设计的机器人系统在植物大小和结构变异大时表现不佳。理想型建模可将生产约束转化为可测量的育种靶标，利用株高、叶角、叶曲率、冠层密度和体积-生物量关系等性状定义最优莲座理想型。3D表型分析可量化莲座结构、叶密度和株高，遗传分析已鉴定控制主要叶和株型性状的位点。育种可通过调控生长激素、叶取向和茎伸长的基因实现紧凑株型，例如LsNRL4过表达减少叶角并增强光合效率，LsTCP4表达与叶曲率负相关，LsKIPK和LsATPase双突变通过改变细胞壁发育产生紧凑奶油生菜株型。这些靶标应在目标商业生产系统的层架间距、光照布置和自动化要求下评估，平衡紧凑性与足够冠层开放度以减少自遮荫。
3.4 提升品质和消费者价值
CEA的高度可控性使育种能比露地更重视品质性状。消费者对CEA莴苣的接受度和支付意愿并非自动高于露地或温室产品，且高度异质，消费者更一致地重视可感知属性如口味和新鲜度而非生产方式本身。因此，优质育种目标应针对一致、可识别且经济上有意义的性状。
3.4.1 营养含量和功能成分
室内垂直农业最经济可行的方式是生产高价值作物，育种应聚焦更高营养和功能品质的莴苣。大多数品质相关代谢物受基因型和环境共同影响，CEA稳定条件适合其育种。莴苣在维生素C、β-胡萝卜素、花青素、叶绿素、生育酚、叶绿醌、葡萄糖、果糖和蔗糖等方面存在显著遗传变异。水培莴苣中叶绿醌、α-和γ-生育酚及抗坏血酸存在显著变异，表明培育营养密集品种的潜力。花青素同时贡献视觉吸引力、抗氧化能力和感知功能价值，红叶莴苣是CEA有吸引力的育种靶标。然而，人工光照下花青素积累受多基因和环境线索（光谱、强度）强烈影响，可能不稳定。培育CEA特定光环境下花青素稳定积累的品种比简单选择田间红色更具商业相关性。
3.4.2 感官品质
感官品质包括风味、质地、香气和视觉外观，对消费者满意度和重复购买至关重要。莴苣中已鉴定出糖、有机酸、倍半萜内酯等贡献甜味、苦味和整体风味感知的代谢物及其QTL。环境稳定的QTL，如LG 9上的主要果糖QTL和LG 5上的低苦味标记，为CEA条件下培育优良风味提供了靶标。CEA的精确环境控制最小化环境变异，可实现可靠的代谢型鉴定和G×E优化，增强风味表达。育种可优先恢复或开发适合多样化消费者偏好的新风味特征。叶质地是影响食用品质和货架期的关键性状，消费者偏好柔软可口的叶片，而更厚更硬的叶片可能更好耐受处理和运输，形成感官品质与采后性能之间的育种权衡。
3.4.3 采后品质和货架期
CEA莴苣品种需提供优越视觉吸引力和延长货架期以保持经济竞争力。采后品质主要由对两种不同生理缺陷的抗性定义：酶促变色（褐变或粉变）和组织快速劣变。酶促变色是机械损伤上调苯丙氨酸解氨酶（PAL），导致多酚氧化酶（PPO）将多酚氧化为黑色素的伤口愈合反应。组织劣变涉及细胞壁完整性和硬度丧失，常因改良气调包装（MAP）中低氧条件（<2%）触发厌氧发酵和异味。这些性状遗传基础强，劣变速率广义遗传力达0.90，变色达0.92。连锁作图和GWAS已鉴定出qSL4（染色体4上主要QTL，解释高达74%的劣变速率表型变异）和qDEV7（发育速率关键调控因子）。抗褐变受qDis1.1、qDis6.1和qDis9.1等QTL调控，与编码PPO和其他氧化酶的基因共定位。结合遗传选择与优化处理实践是延长CEA莴苣可销售货架期的关键。
3.5 胁迫因子和生理性病害
CEA系统旨在最小化田间常见外部生物和非生物胁迫影响，但高度优化条件也可能促进病害和害虫发展。单一种植、封闭循环系统一旦引入病原接种体，可在循环营养液、通风路径和设施表面持续存在并快速扩增，缺乏季节性中断和微生物竞争。育种应优先通过基因聚合和主动小种监测发展持久、堆叠的抗性，同时鉴定新抗性来源和对CEA特定生物及非生物挑战的耐受性。
3.5.1 非生物胁迫和生理性病害
3.5.1.1 温度（热和冷）胁迫耐受性
CEA系统虽最小化外部天气不可预测性，但环境参数波动，特别是热带气候下的温度，可挑战最优条件维持。耐热育种可减少温度调控所需能量。莴苣通过增加抗氧化酶活性、改变光合色素和叶形态适应连续热胁迫。耐冷性是减少加热需求、维持传统低技术温室周年生产的重要育种优先方向。野生莴苣中鉴定出LsCBF7野生型等位基因，控制改善的冻害耐受性，但该基因与早抽薹连锁，驯化过程中可能被负选择。育种应利用标记辅助或基因组方法将冻害耐受性与早抽薹解偶联，基因编辑可精确转移位点而保留连锁的早抽薹区域。
3.5.1.2 抽薹抗性
抽薹是莴苣从营养莲座期向生殖期转变的标志，因莴苣收获叶莲座，抽薹高度不可取，减少叶生物量、导致茎芯伸长和裂球，甚至完全减产。开花起始还诱导叶片乳胶积累增加，导致苦味和品质下降。晚抽薹是延长营养期和保持品质的关键育种靶标。抽薹受赤霉素（GA）信号、MADS-box转录因子和温度响应调控网络等多条互作遗传途径调控。关键基因包括LsKN1、LsRGL1、LsOFP6、LsFT和BEL1-like基因，miRNA和DNA甲基化调节对热和光周期的环境响应。染色体7上的主要抽薹和开花时间QTL qFLT7.2受光周期和温度强烈影响。
3.5.1.3 叶尖灼伤抗性
叶尖灼伤是CEA莴苣的主要生理性病害，导致内叶边缘坏死，严重降低可销售性。主要由封闭冠层中蒸腾不良导致的局部钙缺乏驱动，本质是快速生物量积累超过钙输送的供需失衡。CEA环境通过高光强、高温和高湿最大化生长速率，固有地加剧此失衡。叶尖灼伤抗性育种高度可行，栽培和野生莴苣种质存在强遗传变异。连锁群1（qTPB5.2）和5（qTBIN_1_QC11）上已定位主要抗性QTL，常与叶形态性状如皱缩性和球紧实度共分离。GWAS已成功将抗性与活力解偶联，鉴定出与钙信号和氧化应激防御相关的特定"细胞完整性"位点，独立于快速生物量积累赋予抗性。由于叶尖灼伤表现强基因型-环境互作，推进CEA莴苣需优先进行生产系统特定筛选，将这些活力无关抗性等位基因渗入高产品种。
3.5.1.4 盐胁迫耐受性
莴苣传统上被视为不耐盐作物，但培育耐盐品种对CEA具有重要意义，特别是整合到盐水水培或鱼菜共生系统。不同莴苣类型（结球、直立和切叶型）中已鉴定盐胁迫耐受性遗传变异，但当前耐受水平最低。育种应靶向在轻度盐胁迫下维持生产力的生理性状，使品种在循环和鱼菜共生系统中表现良好，提高城市或限水环境的用水和肥料效率。
3.5.2 生物胁迫抗性
3.5.2.1 卵菌和真菌病害抗性
3.5.2.1.1 霜霉病
霜霉病（downy mildew, DM）由卵菌Bremia lactucae引起，是全球莴苣生产最严重病害，CEA中因潮湿封闭条件利于孢子形成和连续种植周期维持病原群体而加剧。病原小种快速进化持续要求育种界鉴定新抗性来源和基因。已在L. serriola、L. saligna和L. virosa中鉴定新DM抗性基因，通过反复回交和胚拯救渗入。至少51个抗性基因、NLR免疫受体基因簇（RGCs）和基因组区域已鉴定并应用于莴苣DM抗性，38个Dm基因已定位。优先育种策略应利用标记辅助和基因编辑方法，将不同识别特异性的多个Dm基因堆叠到精英CEA适应背景中，无连锁累赘地组合位点，拓宽抗性谱并减缓病原适应。持续监测商业CEA设施中小种组成（可能与田间分布不同）对确保部署基因堆叠保持有效至关重要。
3.5.2.1.2 白粉病
莴苣白粉病（powdery mildew, PM）由Golovinomyces bolayi引起，因温暖潮湿条件利于病害发展，是CEA系统的主要问题。近期已首次记录CEA设施中PM侵染。PM严重度与叶厚度负相关，10叶期前无病害发展。L. saligna和L. virosa中已鉴定不同水平抗性。现代品种中，叶用和奶油生菜类型通常表现出较高耐受性，结球类型最易感。在L. sativa cv. Salinas与L. serriola UC96US23杂交的种间群体中，鉴定出染色体1、2和7上四个显著QTL（pm-1.1、pm-2.1、pm-2.2、pm-7.1），解释35–43%表型变异。值得注意的是，多个田间抗性品种在温室条件下表现出PM症状，表明抗性表达受环境因素进一步复杂化，筛选必须在CEA设施中使用源自这些系统的病原分离株进行。
3.5.2.1.3 腐霉萎蔫（Pythium spp.）
腐霉萎蔫已在CEA莴苣中报道，特别是水培系统。多种Pythium种构成CEA特定威胁，因为水培循环营养液提供连续、设施范围的传播途径，一旦污染可快速扩散。目前尚未鉴定针对P. uncilunatum或其他CEA产业关注Pythium种的已知抗性来源。田间评估鉴定出品种Copious、Patton和1024症状最少，但大多数直立莴苣类型易感。系统筛选多样化莴苣种质对抗CEA系统获得的Pythium分离株是紧迫研究优先方向，因为CEA中的种组成和毒力谱可能不同于田间。在缺乏寄主抗性情况下，生物防治提供有前景的近期管理策略，如接种Pseudomonas sp. strain IALR1619已显示改善被P. ultimum和P. dissotocum感染莴苣的产量。
3.5.2.1.4 镰刀菌萎蔫（Fusarium oxysporum f. sp. lactucae, FOL）
镰刀菌萎蔫主要发生在全球温暖地区田间条件。FOL4近期在荷兰北部保护栽培莴苣中出现，后传播至英国和爱尔兰。CEA中较低温度和单一种植缺乏轮作可利于FOL4建立和传播。96份种质筛选已鉴定可支持开发CEA适应抗性品种的FOL4抗性来源。
3.5.2.2 害虫和病毒抗性
3.5.2.2.1 凤仙花坏死斑病毒
凤仙花坏死斑病毒（impatiens necrotic spot virus, INSV）由西花蓟马（Frankliniella occidentalis）传播，导致斑点萎蔫症状。西花蓟马在CEA中也是问题，因其寄主范围广且能在保护系统内传播INSV。基于蓟马和机械接种的温室筛选方法筛选89份莴苣种质，鉴定出品种Amazon、Ancora、Antigua、Commodore、Eruption、Iceburg、La Brillante、Merlot、Telluride和Tinto具抗性。近期遗传研究在品种Eruption重组自交系中鉴定出LG2上环境稳定QTL qINSV2.1，解释高达61%表型方差，遗传力估计0.89。这些抗性来源和QTL可用于开发分子标记并应用于INSV抗性品种育种。
3.5.2.2.2 莴苣蚜虫（Nasonovia ribisnigri）
莴苣蚜虫是全球关注的主要害虫。对N. ribisnigri的抗性育种已成功并部署于现代品种，抗性由Nr基因赋予（对生物型Nr:0）。然而，2007年欧洲和2018–2019年萨利纳斯谷出现新生物型Nr:1，克服商业抗性品种的抗性。已在L. serriola 10G.913571中鉴定Nr:1生物型抗性莴苣，两份L. virosa种质CGN16272和CGN13355也显示对Nr:1生物型抗性。进一步研究正在进行以鉴定赋予抗性的潜在基因并开发新型抗性品种。
