加速育种条件下普通小麦F?部分双列杂交群体的越亲分离、正反交效应与多性状选择

《Plants》：Transgressive Segregation, Reciprocal Effects and Multi-Trait Selection in an F2 Bread Wheat Diallel Under Speed Breeding

　　

摘要 加速育种（speed breeding）可加快小麦品系开发进程，然而多数研究关注的是方案优化，而非遗传变异在生长室内分离群体中的表达方式。由于可控长日照生长室提供了一个均一、低胁迫的环境，它压缩了方差的 environmental 组分，使得不同杂交组合间的遗传差异能够在几乎不受环境混杂干扰的情况下被观测。研究人员对一个由三个普通小麦（Triticum aestivum L.）品种——即耐热的 Adana-99 以及两个感热的 Alada 和 Lucilla——构建的部分（“智能”）双列杂交（partial diallel）所衍生的 851 个单株 F? 群体进行了表型鉴定，四个杂交组合均以 Adana-99 为共同亲本。植株在符合方案规范的 22 h 光照/2 h 黑暗光周期（光照期 24.1 °C，黑暗期 17.9 °C）下生长，并对十二个农艺形态、物候及生理性状进行了测定。所有杂交组合均表现出广泛的表型变异和丰富的有利越亲分离（transgressive segregation）；Adana-99 × Lucilla 组合在单穗粒重、生物量和收获指数方面产生了最高频率的越亲分离个体，同时也是早花个体的主要来源。正反交差异在生物量、每穗粒数和单穗粒重上显著，且均以 Adana-99 作为母本时表现更优，表明存在母本（或细胞质）效应。在排除收获指数（其为籽粒产量的代数派生性状）后，通径分析（path analysis）确定单穗粒重和生物量为单株籽粒产量的直接决定因子。典型判别分析（canonical discriminant analysis）和多性状基因型-理想型距离指数（MGIDI）被用于描述杂交组合间的多元分化，并筛选在多个性状上同时具有优良表现的分离个体。所选分离个体及 Adana-99 × Lucilla 组合被推荐作为多环境田间验证的候选材料。

加速育种条件下普通小麦F?部分双列杂交群体的遗传解析与多性状选择——论文解读

一、研究背景与科学问题

普通小麦（Triticum aestivum L.）是全球种植范围最广的谷类作物，为人类膳食提供了近五分之一的能量和蛋白质。在气候日益多变的情况下，维持小麦供给需要持续提升籽粒产量遗传增益并保障产量稳定性。遗传增益的实现依赖于育种者能否创制蕴含丰富等位变异的群体、识别最能预测产量的性状组合，并在早代进行高效选择。F?世代是杂交后最早发生分离的世代，承载着自交世代中最大量的加性、显性和上位性方差，单株评价在此阶段对解析性状间关系及鉴定超出双亲范围的越亲分离个体尤为有效。

加速育种通过延长光周期（通常为20–22 h）在可控环境下缩短抽穗至生理成熟的间隔，实现每年多世代繁殖，已被纳入小麦育种流程以压缩品种开发周期。然而，现有报道多集中于方案优化，而较少关注遗传变异在生长室内分离群体中的表达方式。可控长日照生长室提供了一个空间均一、低胁迫的环境，能够压缩环境方差组分，使不同杂交组合间的遗传差异在较少环境混杂下得以表达，这为比较分离群体的遗传变异提供了理想条件。

在杂交设计方面，双列杂交（diallel）允许系统比较基因型组合，而部分（不完全）双列杂交在杂交能力有限时被采用。本研究采用围绕单一共同亲本构建并双向实现的“智能”部分双列杂交，将杂交工作集中于目标比较，同时因包含正反交组合而可对母本和细胞质效应进行正式检验，这在常规产量构成研究中常被忽视。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员选用耐热品种 Adana-99（P1）作为共同亲本，分别与两个感热品种 Alada（P2）和 Lucilla（P3）进行正反交，形成四个组合（P1 × P2、P2 × P1、P1 × P3、P3 × P1），构成两对正反交组合。共851个F?单株（P1 × P2，n=218；P2 × P1，n=219；P1 × P3，n=207；P3 × P1，n=207）及每个亲本品种6个单株重复（共18个亲本记录）用于表型评价。试验于2024年12月5日播种，在可控环境加速育种生长室内进行，采用22 h光照/2 h黑暗光周期，光照期平均温度24.1 ± 1.8 °C，黑暗期17.9 ± 0.5 °C，平均相对湿度50.3 ± 6.3%，整个90天试验期内未发生热胁迫事件。

研究涉及的关键技术方法包括：对每个F?单株和亲本重复测定12个性状（物候性状：抽穗天数DH、开花天数DF；生理性状：抽穗期旗叶SPAD读数SPADh、开花期SPAD读数SPADf；形态性状：株高PH、穗长SL、每穗小穗数SNS、每穗粒数GNS、单穗粒重GWS；产量性状：单株籽粒产量GY、单株地上部生物量BM、收获指数HI）；采用单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD事后检验比较四个杂交组合；采用Welch t检验检验正反交差异；采用Pearson相关分析和通径系数分析（path-coefficient analysis）分解性状与产量的关系；采用主成分分析（PCA）、Ward层次聚类、典型判别分析（CDA）描述杂交组合间的多元分化；采用多性状基因型-理想型距离指数（MGIDI）进行多性状选择。

三、研究结果

3.1 表型变异与亲本表现

三个亲本在全部12个性状上均有差异。Alada（P2）开花最晚（DF = 82.0 ± 1.7 d），单穗粒重最低（0.35 ± 0.08 g），收获指数最低（12.74 ± 3.82%）。Adana-99（P1）和Lucilla（P3）开花时间相近（74.7 ± 2.2 d和74.2 ± 1.9 d）。Adana-99单株籽粒产量最高（0.68 ± 0.27 g），与Lucilla共同具有最高收获指数（16.91 ± 4.49%和16.97 ± 2.85%），而Lucilla生物量最低（2.76 ± 0.37 g）。合并851个F?单株后，表型变异广泛，单株籽粒产量（57.0%）、单穗粒重（52.8%）、每穗粒数（44.5%）、生物量（43.8%）和收获指数（42.4%）的变异系数均超过40%。在12个性状中，有11个性状的F?范围涵盖并超出双亲均值，表明存在越亲分离。

3.2 杂交组合间差异与正反交效应

单因素方差分析检测到四个杂交组合在12个性状中的11个上存在显著差异（p < 0.001），开花期SPAD读数为例外（p = 0.034）。两个Adana-99 × Lucilla组合（P1 × P3和P3 × P1）具有最高的单株籽粒产量均值（0.82和0.77 g，a组）、最高单穗粒重（0.76和0.71 g，a组）和最高收获指数（18.21%和19.55%，a组）。Welch检验在两对正反交组合中检测到多个性状的显著差异：生物量在两对组合中均显著差异，以Adana-99为母本时分别比其正反交组合多23%（P1 × P2/P2 × P1对，3.64 vs. 2.96 g，p < 0.001）和（P1 × P3/P3 × P1对，3.79 vs. 3.29 g，p < 0.001）；每穗粒数在两对组合中均显著差异，同样以Adana-99为母本时更优；单穗粒重和单株籽粒产量在P1 × P2/P2 × P1对中显著差异。

3.3 越亲分离

每个杂交组合的F?最小值和最大值在几乎所有性状上均超出亲本均值范围，证实F?重组产生了广泛的表型分布和大量的越亲分离个体。P1 × P2组合（Adana-99 × Alada）在产量构成性状上变异最大，有利越亲个体在小穗数（71.1%）、每穗粒数（66.1%）和生物量（56.0%）上频率最高，是穗育性和生物量积累的优良来源。其正反交组合P2 × P1在穗部和生理性状上保持高变异（小穗数69.4%，开花期SPAD 41.7%），但籽粒产量（32.0%）和单穗粒重（36.1%）的越亲个体较少。Adana-99 × Lucilla组合（P1 × P3和P3 × P1）在早熟性和产量方面均富含有利越亲分离个体：P1 × P3中73.4%和76.3%的个体在抽穗天数和开花天数上早于较早亲本，72.0%、63.3%、63.3%和57.5%分别在单穗粒重、生物量、收获指数和籽粒产量上为有利越亲个体；P3 × P1表现出相似特征（抽穗天数和开花天数早熟越亲个体分别为63.3%和70.1%；单穗粒重、籽粒产量和收获指数有利越亲个体分别为63.3%、63.3%和62.8%）。

3.4 性状相关性与通径分析

单株籽粒产量与单穗粒重相关性最强（r = 0.92，p < 0.001），其次为每穗粒数（r = 0.68）、生物量（r = 0.61）、收获指数（r = 0.60）和株高（r = 0.52）。抽穗天数与籽粒产量呈负相关（r = ?0.47，p < 0.001），表明早抽穗个体在此条件下倾向于更高产。SPAD读数与产量构成性状相关性弱（|r| < 0.15）。由于收获指数定义为100 × GY/BM，是籽粒产量的代数函数，将其从通径模型中排除以避免循环性。以其余十个性状为预测变量，分析残差为0.292，即F?籽粒产量变异的91.4%被解释。单穗粒重（β = 0.78）和生物量（β = 0.33）具有较大的正直接效应，其余性状直接效应绝对值均低于0.10。每穗粒数（r = 0.68）和株高（r = 0.52）虽与籽粒产量相关，但其效应几乎全部通过单穗粒重和生物量间接传递。

3.5 多元结构：PCA与聚类

前三个主成分解释了总性状变异的67.9%。PC1（35.3%）在生物量、株高、每穗粒数、单穗粒重和籽粒产量上正载荷，描述一般生产力轴；PC2（23.1%）在收获指数上正载荷，在物候性状和SPAD读数上负载荷，描述早熟性-分配轴。四个杂交组合在得分图上重叠但部分分离，P1 × P3和P3 × P1个体向更高PC1值偏移。Ward聚类解析出四个组群：聚类3（n = 139）为高产组，株高、每穗粒数、单穗粒重、籽粒产量和生物量的z分数高于+0.9；聚类2（n = 98）结合早花与高收获指数（HI z = +1.04；DF z = ?2.18）；聚类1（n = 309）为产量构成性状表现最低的组；聚类4（n = 305）居中。群体包含两种不同的高性能特征：一种基于高生物量和单穗粒重，一种基于早熟和高效分配。

3.6 性状相关网络

相关网络显示一个相互关联的产量模块，包含籽粒产量、单穗粒重、生物量、每穗粒数、收获指数和株高，由正相关连接，并通过中等正相关与穗部性状相连，通过负相关与物候性状相连。SPAD读数处于外围位置，基本独立于产量结构，与其近零的直接通径系数一致。

3.7 典型判别分析

以四个杂交组合为分组因子、12个性状为判别变量的典型判别分析将组合间分化集中于两个函数：第一典型函数（LD1）解释86.8%，第二典型函数（LD2）解释10.6%，合计97.4%。结构矩阵显示LD1由物候和生理性状（抽穗天数?0.74、开花天数?0.68、抽穗期SPAD ?0.53）与产量相关性状（单穗粒重+0.45、籽粒产量+0.39、收获指数+0.37）之间的对立定义；LD2主要由生物量（?0.62）、每穗粒数（?0.50）和株高（?0.37）定义。在LD1上，两个Adana-99 × Alada组合具有负质心（P1 × P2 = ?0.68，P2 × P1 = ?1.06），两个Adana-99 × Lucilla组合具有正质心（P1 × P3 = +0.98，P3 × P1 = +0.85），主轴按组合亲本来源分离群体，结合早熟性和产量潜力。LD2分离每对正反交组合：以Adana-99为母本的组合（P1 × P2、P1 × P3）具有负LD2分数，其正反交组合（P2 × P1、P3 × P1）具有正分数，与上述母本生物量效应一致。留一法交叉验证的正确分类率为54.2%，P2 × P1最高（219个个体中142个正确分配）。

3.8 多性状选择（MGIDI）

直接截断选择籽粒产量前5%鉴定出43个F?个体，平均单株籽粒产量1.67 g，群体均值为0.70 g。Adana-99 × Lucilla组合P1 × P3（n = 19）和P3 × P1（n = 14）合计贡献43个精英个体中的33个（76.7%），P1 × P2贡献7个（16.3%），P2 × P1贡献3个（7.0%）。因子分析将12个性状归为三个因子（特征值>1）：因子1（抽穗天数、开花天数、单穗粒重、籽粒产量和收获指数）、因子2（株高、穗长、每穗小穗数、每穗粒数和生物量）和因子3（两个SPAD读数）。以15%选择强度应用MGIDI保留128个F?个体。Adana-99 × Lucilla组合再次占优（P3 × P1，n = 40；P1 × P3，n = 36；合计占选择的59.4%），其次为Adana-99 × Alada组合（P2 × P1，n = 29；P1 × P2，n = 23）。与整个群体相比，所选组在每个产量相关性状上均表现出有利选择差：单株籽粒产量+51.4%、单穗粒重+47.1%、生物量+27.6%、每穗粒数+25.4%、收获指数+17.7%，同时抽穗更早（?5.6%）和开花更早（?2.1%）。优势-劣势图谱显示所选组在株型、穗部和生物量因子（因子2，仅贡献MGIDI距离的12.1%）上最接近理想型，而SPAD因子（因子3，48.0%）为主要弱点。

四、讨论与结论

本研究最一致的结果是以Adana-99为母本的杂交组合在生物量、每穗粒数和单穗粒重上具有方向性优势。由于Adana-99为所有四个组合的共同亲本，其母本后代的重复性优势最可能归因于该品种的母本贡献。该设计无法区分母本效应的具体途径——F?植株未被表型鉴定，播种时种子重量未记录，因此不能排除母本种子大小效应——但育种意义明确：种子亲本的选择并非中性，以Adana-99为母本持续产生更优的早代后代。在均一的加速育种条件下评价群体使组合间和正反交差异在低噪声背景下表达，更易被解释为遗传差异。加速育种在此不仅压缩育种周期，也为解析分离群体的遗传变异提供了条件。

研究结论：由851个单株组成的F?普通小麦群体，来源于以耐热共同亲本构建的含正反交的部分（智能）双列杂交，并完全在均一的加速育种条件下进行表型鉴定，表现出广泛的表型变异和丰富的有利越亲分离。生物量、每穗粒数和单穗粒重的正反交差异一致地以Adana-99为母本时更优，表明该材料中种子亲本的选择并非中性。通径分析确定单穗粒重和生物量为单株籽粒产量的直接决定因子，典型判别分析和MGIDI指数被用于描述杂交组合间的分化并选择均衡分离个体。Adana-99 × Lucilla组合贡献了绝大多数高产分离个体，并将早熟性与产量潜力相结合。通过在均一、非胁迫的生长室中评价群体，本研究以最小的环境混杂隔离了耐热亲本的遗传和母本贡献；所选择的分离个体和杂交组合被推荐作为多环境田间验证的候选材料，并随后在衍生F?/F?家系中进行QTL定位。