红三叶草（*Trifolium pratense* L.）倍性与饲草产量间的关系

《Grass and Forage Science》：Relation Between Ploidy and Forage Yield in Red Clover (Trifolium pratense L.)

　　

摘要
最近的试验经验表明，红三叶草二倍体与四倍体品种之间的干物质产量差异较小，而四倍体品种的种子生产能力较低，这促使育种者重新考量在该倍性群组中的育种投入。这项大规模研究沿欧洲环境梯度比较了二倍体与四倍体红三叶草的生产力，为育种者和农户提供了新的见解。核心产量数据来源于2000年至2023年期间欧洲各国国家田间试验中测试红三叶草品种及候选品种（candivars）的现有结果。数据采用协方差分析进行处理，纳入地点、收获年份、倍性以及收获年份×倍性交互作用的影响，并以生长季平均气温和降水总量作为协变量。红三叶草的生产力在较温暖的中欧和西欧（干物质产量DMY 15.5 t ha^?1）为北欧（干物质产量DMY 7.55 t ha^?1）的两倍。四倍体在北欧显著高于二倍体（干物质产量DMY +9.2%），但在中欧和西欧仅略高（干物质产量DMY +3.8%）。在生长季平均气温和降水总量较低的年份/地点，四倍体相对于二倍体的产量优势最大。研究结果表明，四倍体红三叶草仍较二倍体具有干物质产量优势，但这些优势在生长条件较不利的地区最为显著。鉴于四倍体红三叶草种子生产的困难，二倍体红三叶草是中欧和西欧的良好选择，而在北欧，四倍体的偏好更具合理性。

论文解读：红三叶草倍性与饲草产量关系的欧洲大规模研究

一、研究背景与问题

红三叶草（RC, *Trifolium pratense* L.）是温带地区广泛应用的多年生豆科饲草，全球种植面积约400万公顷。红三叶草通过生物固氮减少氮肥需求，改善土壤结构，提升土壤肥力，并为传粉昆虫提供高质量食物来源，具有重要生态服务功能。天然红三叶草为二倍体基因组（2n = 2x = 14），自1939年首次获得四倍体基因型以来，四倍体品种因其器官增大效应（Gigas效应），即细胞体积增大、植株更高、茎叶更大，以及通常较高的饲草产量和较好的持久性，在欧洲受到重视。然而，四倍体红三叶草存在显著的种子生产劣势，其种子产量仅为二倍体的40%~75%，这一瓶颈制约了其商业化推广。

近年来，一些研究报告指出二倍体与四倍体红三叶草品种间的干物质产量差异甚微甚至无差异，这与20世纪50~60年代四倍体品种表现出显著增产优势的历史情况形成对比。可能的原因是二倍体红三叶草育种进展逐步缩小了与四倍体的产量差距。与此同时，欧洲各国种子生产成本因气候波动、野生传粉昆虫减少和关键杀虫剂禁用而不断上升，使育种者和种子公司面临重新评估四倍体红三叶草育种价值与商业化前景的问题。四倍体是否只是“秋水仙素诱导多倍化热潮”的遗留产物，还是仍然具有不可替代的农艺价值，成为亟待回答的科学问题。为此，研究人员利用欧洲多国通常难以获取的育种者、种子公司、国家品种试验和注册机构的产量数据开展本研究。

二、研究目标与意义

本研究旨在：（1）确定四倍体红三叶草在干物质产量方面是否仍优于二倍体，并明确其环境依赖条件；（2）研究气象条件对二倍体和四倍体红三叶草生产力的影响。该研究为育种者和农户在不同气候区域合理选择倍性类型提供了大尺度、多环境的数据支撑，对欧洲红三叶草育种方向决策具有直接指导意义。

三、材料与方法要点

本研究采用欧洲大规模多年多点试验数据集。核心产量数据来自2000—2023年期间欧洲各国国家品种试验（如ILVO 2022等）和育种试验中同时包含二倍体与四倍体红三叶草品种及候选品种的田间试验结果。试验地点分布在比利时、捷克、德国、法国、英国、荷兰、挪威和瑞典共30个地点，均在红三叶草单播条件下进行，采用2~5次刈割管理，通常设两个收获年份（第二年因越冬不良偶尔缺失），每个参试材料设3~4个重复。样本共计6690个参试红三叶草材料（其中四倍体2778个）。气候数据采用生长季平均气温（T, °C）和降水总量（P, mm）。统计方法采用以地点为随机效应、收获年份（第一或第二收获年）、倍性（二倍体或四倍体）及收获年份×倍性交互作用为固定效应的协方差分析，生长季平均气温和降水总量作为协变量；北欧与中欧和西欧分开分析。倍性间产量差异采用四倍体/二倍体产量比值表示，并用逐步多元线性回归分析该比值与产量水平和环境因子的关系。由于国家报告仅提供各参试材料年平均产量值，每个红三叶草材料仅作为特定年份和地点中倍性效应的重复。

四、主要结果

1. 红三叶草在不同欧洲区域的产量表现

通过协方差分析发现，中欧和西欧的干物质产量（DMY 15.5 t ha^?1）显著约为北欧（DMY 7.55 t ha^?1）的两倍（p < 0.001）。在中欧和西欧，四倍体的干物质产量（15.8 t ha^?1）显著高于二倍体（15.2 t ha^?1），增产幅度为3.8%；在北欧，四倍体的干物质产量（7.9 t ha^?1）比二倍体（7.2 t ha^?1）高出9.2%。在鲜物质产量（FMY）上，四倍体的优势更为明显，北欧为+17.7%，中欧和西欧为+12.0%。四倍体在两个区域的干物质含量（DMC）均稳定低于二倍体，差值范围为12~20 g kg^?1。两个区域中，第一收获年的产量均显著高于第二收获年，差异幅度从北欧的+11%到中欧和西欧的+25%。北欧存在显著的倍性×收获年份交互作用（p = 0.039），四倍体在两个收获年的鲜物质产量均高于二倍体；四倍体第二年的产量（55.4 t ha^?1）与二倍体第一年的产量（54.4 t ha^?1）无显著差异，而四倍体第一年产量最高（65.0 t ha^?1），二倍体第二年产量最低（47.8 t ha^?1）。

2. 四倍体产量优势与环境条件的关系

研究人员计算了354个地点、日历年与收获年组合的四倍体产量优势。逐步回归分析鉴定出生长季气温和降水总量是四倍体产量优势的最佳预测因子，得到多元回归方程：四倍体/二倍体干物质产量比 = 1.27 ? 0.0139 × 生长季气温 ? 0.000078 × 生长季降水总量（R = 0.276，校正R² = 0.071，p < 0.001，n = 337）。该回归关系表明，在生长季气温较低、降水较少的冷凉干燥地区，四倍体的产量优势最为明显，随温度升高和降水增加，其产量优势趋于减弱。尽管模型解释力有限（R²不高），这反映了年均生长季气候指标难以完全捕捉年内各次刈割期复杂环境驱动的局限性，但各变量均达到统计显著水平。

五、讨论要点

讨论部分围绕四倍体产量优势的机理、干物质含量差异、环境依赖性、抗病性与持久性，以及对各相关方的启示展开。四倍体的增产优势常归因于形态性状，包括较高的茎秆和较大的叶片；四倍体根量较大（10~30 g vs. 6~15 g），可能增强养分吸收和竞争能力。较大的根瘤细胞可容纳更多类菌体，可能增强共生固氮效率。四倍体较低的干物质含量对青贮生产构成不利条件，因为其需要更长的萎蔫时间和更大的降雨敏感度。环境依赖性方面，多倍体野生植物频率随纬度升高而增加，支持四倍体在寒冷气候下优势更为明显的结论。四倍体抗病性提高（如对三叶草腐烂病*Sclerotinia trifoliorum*的抗性）及其更好的越冬性可能部分解释了其高产表现。在持久性方面，现有证据呈现混合状态，但本研究中两个倍性从第一到第二收获年的产量下降幅度相近，表明群体水平持久性无明显差异。讨论还指出，品种注册目录中长期存在的遗传背景差异可能混淆倍性比较，且红三叶草育种进展总体缓慢。

六、研究结论

本研究比较了二倍体和四倍体红三叶草在欧洲多种环境下的生产力。四倍体红三叶草在所有评估区域均获得较高的饲草产量，但干物质产量优势的幅度主要体现于北欧典型的寒冷条件下，在中欧和西欧其优势有限。四倍体品种在鲜草中持续表现出较低的干物质含量（12~20 g kg^?1）。群体持久性在不同倍性间表现相似，饲草产量从第一到第二收获年下降约20%（中欧和西欧）和13%~15%（北欧）。鉴于四倍体品种通常种子产量较低，所有相关方均应批判性评估在有利条件下使用四倍体红三叶草的合理性，特别是混播于禾草—三叶草草地时。未来研究应进一步量化倍性—环境互作，并鉴于北欧地区观察到的优势，致力于提高四倍体红三叶草的种子生产能力，以增强其在该区域的经济可行性。本研究发表于《Grass and Forage Science》。