《Plants》：Integrative Techniques for Hybrid Breeding in Eucalyptus: Advances, Innovations, Challenges, and Future Prospects
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杂交育种利用遗传互补亲本间的杂种优势来培育理想的产品，在桉树（Eucalyptus）中亦是如此。本综述旨在介绍桉树杂交育种的整合技术，这些技术基于表型选择和人工控制杂交等传统方法，并结合现代基因组辅助方法来指导产品开发。分子育种工具，如标记辅助选择（marke
杂交育种利用遗传互补亲本间的杂种优势来培育理想的产品，在桉树（Eucalyptus）中亦是如此。本综述旨在介绍桉树杂交育种的整合技术，这些技术基于表型选择和人工控制杂交等传统方法，并结合现代基因组辅助方法来指导产品开发。分子育种工具，如标记辅助选择（marker-assisted selection，MAS）、数量性状位点（quantitative trait loci，QTL）定位、测序分型（genotyping-by-sequencing，GBS）和新一代测序（next-generation sequencing，NGS），提高了桉树在生长速率、木材密度、纤维品质、抗病性、耐旱性和适应性等性状上的选择精度。现代方法已能够在常见桉树物种（如巨桉 Eucalyptus grandis、尾叶桉 E. urophylla、赤桉 E. camaldulensis 和亮果桉 E. nitens）中鉴定出性状特异性QTL和基因，从而加速了杂交品种的培育。基因组编辑技术为性状的遗传改良提供了新的机遇，尤其是在最终产品可能不需要严格监管审查的桉树中。在桉树育种中，市场偏好的关键性状涉及纸浆与造纸、木材和生物能源，需要高性能和高生物量的杂交种。成功的杂交育种需要整合遗传和基因组资源的多学科方法。此外，还需要在森林基因组学方面的投入以及多机构合作，以跟上桉树育种的发展步伐。本综述可作为一个框架来指导桉树育种和遗传学研究，旨在培育能够适应环境变化并满足市场需求的下一代杂交种。
**引言**
全球对木材、纸浆和生物能源用生物质的需求持续增长，推动了高产杂交种在林业中的应用。桉树（Eucalyptus）是全球工业林业中最具经济价值的属之一，拥有700多个具有不同生态适应性的物种，因其生长迅速、气候适应性强和生物质产量高而成为木材和能源供应的优选树种。不同桉树物种具有独特的性状特征：巨桉（E. grandis）生长快速、树干通直；尾叶桉（E. urophylla）对热带地区常见病虫害具有耐受性；赤桉（E. camaldulensis）以耐旱性著称；亮果桉（E. nitens）则具有优异的耐寒性。这些物种为育种提供了独特的遗传资源。种间杂交已成为一种强有力的育种策略，通过将遗传距离较远且亲和物种的优良特性组合到单一基因型中，产生杂种优势。然而，种间人工控制授粉技术难度大、耗时长，杂交种子生产成功率往往较低且不稳定。近年来，标记辅助选择（MAS）、数量性状位点（QTL）定位和基因组选择等分子育种技术的发展正在提高传统育种方法的准确性和效率。本综述整合了经典育种方法（包括有效授粉和表型选择）与新的基因组辅助技术（如MAS、QTL定位、测序分型GBS和新一代测序NGS）的进展，旨在为桉树育种和遗传学研究提供框架指导。
**育种方法与桉树遗传资源**
桉树遗传资源对满足全球木材、纸浆和生物能源需求至关重要。育种计划中的关键经济性状包括生长速率、木材品质、抗病性和环境适应性。这些性状的遗传变异可通过系统的种质引进和新育种群体的开发加以利用。
**种质资源引进**
新桉树种质的引进在增加遗传多样性和扩大育种基础方面发挥了关键作用。例如，南非引进了澳大利亚种质以培育耐旱和抗桉树象鼻虫（Gonipterus weevil）的品种，同时也在改善对桉树溃疡病菌（Chrysoporthe austroafricana）、桉树枯萎病菌（Ceratocystis fimbriata complex）和桉树锈病菌（Austropuccinia psidii）的抗性方面取得了进展。巴西通过从澳大利亚引进种质，培育出兼具优异生长和当地适应性的杂交种，特别是巨桉×尾叶桉（E. grandis × E. urophylla）杂交种，后者对真菌病原体表现出更好的抗性。美国将巨桉、亮果桉和史密斯桉（E. smithii）作为生物能源应用的重要物种。中国则通过从巴西和澳大利亚引进尾叶桉×巨桉杂交种，扩大了桉树基因库。
**桉树遗传资源与结构化定位群体**
桉树育种中的遗传资源与主要作物育种有重要区别。桉树的异交交配系统、长世代周期、高杂合度和严重的近交衰退使得高纯合群体的建立和维护远比许多粮食或饲料作物困难。因此，桉树遗传研究更常依赖于全同胞家系、种间杂交谱系、自由授粉家系和已建立的育种群体进行遗传解析和性状定位。例如，利用蓝桉（E. globulus）全同胞谱系鉴定出与木材密度、纸浆得率、微纤丝角、纤维长度和纤维素含量相关的QTL；利用尾叶桉×巨桉种间全同胞谱系研究了木材特性的遗传结构。近年来，源自种间杂交的全同胞群体已被用于构建连锁图谱和鉴定与生长、木材密度等经济性状相关的QTL，自由授粉家系则被用于验证与病害易感性和生理失调相关的QTL。
**种间杂交与改良杂交基因型**
种间杂交是桉树育种的重要组成部分，能够将不同物种的互补特性组合到单一育种群体或基因型中。巨桉×尾叶桉是研究最广泛的组合之一，因其结合了两个亲本的生长潜力和适应性。杂交种的性能取决于亲本基因型、杂交方向、环境条件和亲本基因组间的遗传互作。成功的杂交育种计划需要适当的亲本选择，然后进行控制杂交、后代评估和优良个体或克隆的选择。分子标记可辅助鉴定亲本多样性、验证杂交身份和理解育种材料间的遗传关系，而QTL定位、全基因组关联分析（GWAS）和基因组选择则提供了进一步解析和预测复杂性状的方法。
**桉树遗传资源收集与基因组数据库**
桉树育种的长期成功依赖于维持和有效利用遗传多样性。澳大利亚树种种子中心（ATSC）由澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）管理，维护着大量的桉树和伞房桉属（Corymbia）种子收集品。巴西Embrapa Florestas种子库保存了约3000份种子样本，代表68个物种及不同种源和后代。基因组数据库方面，EucGenIE提供了巨桉的基因组和转录组信息，EUCANEXT提供了额外的基因组和转录组资源，EucaMOD（桉树多组学数据库）则整合了基因组、比较基因组、泛蛋白质组、转录组、表观基因组和遗传变异等多种数据类型。
**诱导突变**
诱导突变可为育种提供额外的遗传变异来源。在巴西，研究人员利用伽马射线辐照成功诱导了柳桉（E. saligna）和邓恩桉（E. dunnii）的突变，证明了突变育种作为桉树遗传改良补充工具的潜力。
**市场驱动的桉树育种应用**
桉树育种以市场为导向，育种目标已从一般性生产力提高转变为针对特定工业用途的基因型开发。纸浆和造纸工业重视高纤维素含量、优良纤维特性和低抽提物含量；实木工业则重视高木材密度、树干通直度、力学强度和快速生长。生物能源项目则针对高生物质产量、良好的木质纤维素组成和高效养分利用的基因型。同时，对病虫害的抗性已成为育种计划的有机组成部分，特别是针对桉树锈病菌（Puccinia psidii）、桉树枝瘿姬小蜂（Leptocybe invasa）和象鼻虫属（Gonipterus）等主要威胁。在分子水平上，这些市场驱动性状受苯丙烷和木质素单体途径调控，涉及苯丙氨酸解氨酶（PAL）、肉桂酸-4-羟化酶（C4H）、4-香豆酸辅酶A连接酶（4CL）、肉桂酰辅酶A还原酶（CCR）、肉桂醇脱氢酶（CAD）和咖啡酰辅酶A-O-甲基转移酶（CCoAOMT）等关键酶。
**桉树育种增益**
遗传改良计划极大提高了桉树人工林的生产力、适应性和商业价值。巨桉×尾叶桉等杂交种的广泛应用证明了来自不同物种的互补性状的协同效应，这些遗传增益已转化为更短的轮伐期、更高的单位面积木材产量和更强的经济竞争力。随着气候变异和病虫害压力的增加，育种计划越来越关注耐旱性选择和抗病虫害育种。在盐碱化方面，生理学研究表明桉树无性系和物种间在盐分响应上存在显著变异，耐盐基因型能在盐胁迫条件下维持较高的光合活性、气孔功能、光化学效率和生物量积累。转录组和基因表达研究已揭示脱落酸（ABA）信号、乙烯响应、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联、抗氧化防御、碳水化合物代谢和转录因子网络等胁迫响应调控系统。木材品质方面，现代育种计划越来越注重选择改良木材密度、纤维特性和纤维素含量，而非仅仅追求最大生长量。木质素生物合成尤为重要，NAC和MYB转录因子家族协调次生细胞壁生物合成下游基因的表达。
**气候智能型林业育种**
地下性状是气候智能型桉树育种中一个重要的但探索相对较少的组成部分。根系结构（包括扎根深度、根长、根直径、侧根发育和根系生物量）直接影响水分和养分获取、耐旱性和地下碳储存。基因组辅助方法（包括QTL定位、GWAS、转录组学和基因组选择）为识别与根系结构相关的基因组区域和候选基因提供了机会。
在基因组辅助育种方面，生化标记（如同工酶和蛋白质表达差异）可用于评估遗传变异和辅助选择。高通量基因分型通过单核苷酸多态性（SNP）标记、简单序列重复（SSR）和GBS平台使育种人员能够在基因组水平上表征遗传变异。基因组选择（GS）和基因组预测（GP）对由多个微效位点控制的复杂数量性状尤为重要，通过全基因组分子标记估计个体的育种值，可缩短育种周期。SNP基因分型还可用于杂交后代的高通量分子验证和早期选择，确认后代是否携带双亲的遗传贡献并筛选携带有利等位基因的个体。
标记辅助选择（MAS）是分子遗传学在桉树育种中最早的成功应用之一，但因许多重要经济性状为数量遗传且受多基因控制，MAS越来越多地被视为补充性育种工具。QTL分析已鉴定出与生长性能、木材密度、纤维特性和抗病虫害相关的基因组区域，但许多QTL效应较小且表达可能因遗传背景和环境而异。在候选基因功能验证方面，酵母双杂交（Y2H）可用于检测蛋白质-蛋白质互作，双分子荧光互补（BiFC）可提供活细胞中蛋白质互作和亚细胞定位证据，免疫共沉淀（Co-IP）可在较自然的细胞条件下验证蛋白质关联，电泳迁移率变动分析（EMSA）可用于检测转录因子与特定DNA序列的直接结合。
新一代测序（NGS）和多组学整合已成为当代桉树育种研究的重要组成部分。转录组学可检测候选基因在不同组织、发育阶段和环境条件下的响应；蛋白质组学提供了转录丰度不一定对应蛋白质丰度或酶活性的补充信息；气相色谱-质谱联用（GC-MS）代谢组学可分析碳代谢、苯丙烷途径和萜类代谢相关化合物的变化。桉树多组学数据库EucaMOD整合了多物种的基因组、比较基因组、泛蛋白质组、转录组、表观基因组和变异数据集。
基因组编辑方面，CRISPR-Cas系统因其实用性和靶向特异性而受到广泛关注，在桉树中可应用于抗病性、木材特性和胁迫耐受性等性状。靶向调控组分或顺式调控区域可能比单基因敲除更有效地控制复杂表型，多重CRISPR方法可同时修饰胁迫响应途径中功能相关的基因或调控区域。表观遗传机制（包括DNA甲基化、组蛋白修饰和染色质可及性）提供了额外的调控层面，染色质免疫沉淀测序（ChIP-seq）可用于识别组蛋白修饰或转录因子在调控区域的占位，将表观基因组信息与QTL、GWAS和多组学数据整合有助于区分序列变异与环境诱导的调控效应。
**桉树常规育种方法**
传统育种方法通过选择具有优良表型性状的个体并进行控制杂交来改良桉树，但存在遗传增益缓慢和难以选择复杂性状的局限。在授粉方法方面，自由授粉是桉树的自然繁殖方式，适用于半同胞家系生产和遗传多样性维护。传统控制杂交包括去雄、人工授粉和隔离，是遗传研究和早期育种的必需工具，但劳动强度大。一步授粉法（OSP）将去雄、授粉和花朵隔离合并为一次田间操作，大幅降低了劳动力成本。人工诱导雌蕊先熟（AIP）则通过去除花盖顶端和部分花柱使柱头在花粉释放前暴露，将天然雄蕊先熟花转变为功能性雌蕊先熟花，种子产量与传统授粉相当，但操作效率提高3至18倍，是最适合大规模商业化杂交种子生产的方法之一。
**展望与结论**
桉树杂交育种已从表型驱动选择演变为数据驱动、基因组赋能的方法体系。现代杂交基因型（如巨桉×尾叶桉、巨桉×亮果桉、赤桉×蓝桉和尾叶桉×粗皮桉）已成为全球商业林业的基础。未来桉树杂交育种将利用CRISPR-Cas9等基因组编辑技术、高通量表型分析、基于机器学习（ML）的性状预测以及基因组数据库的扩展应用。人工智能（AI）和机器学习为解析基因型×环境（G×E）互作的复杂性提供了新的机遇，通过将高密度SNP基因型数据与环境变量（温度、降雨、湿度、太阳辐射、干旱指数和土壤特性等）及多地点多季节的表型测量数据相结合，可训练机器学习算法识别基因型、环境和表型之间的非线性关系，预测候选基因型在当前和预测环境条件下的表现和稳定性。现代育种计划需要多学科融合，平衡商业目标与生态管理和社会经济公平。桉树杂交育种作为应用遗传科学的典范，在全球林业向气候智能型循环生物经济转型的背景下，将实现经济与环境双重价值，其未来发展将取决于技术创新、协作研究、政策支持和育种技术的公平获取。
