伽马射线诱导面包小麦（Triticum aestivum L.）突变体的基因型-环境互作与遗传多样性解析

《Frontiers in Plant Science》：Dissecting genotype-by-environment interactions and genetic diversity in gamma irradiation-derived bread wheat (Triticum aestivum L.) mutants

　　

气候变化和日益加剧的生物胁迫，特别是条锈病（yellow rust），对印度及全球小麦可持续生产构成重大挑战。为了增强遗传多样性并引入新变异，研究人员利用诱变育种，将主栽小麦品种DBW88的种子进行伽马射线辐照。经过连续世代的严格选择，20个优良突变系及其亲本和商业对照（HD2967、HD3086、WH1105）在三个连续作物生长季的多环境试验中进行了评价。研究人员采用成株抗性（Adult Plant Resistance, APR）和苗期抗性测定（Seedling Resistance Test, SRT）对不同基因型的农艺性状及条锈病田间抗性进行筛选。通过加性主效应和乘性互作模型（Additive Main Effects and Multiplicative Interaction, AMMI）、GGE双标图及优越度指数分析表型稳定性和基因型-环境互作（Genotype-by-environment interaction, GEI），同时利用竞争性等位基因特异性PCR（Kompetitive Allele-Specific PCR, KASP）SNP标记评估分子多样性。结果显示，基因型、环境及GEI对籽粒产量均有极显著影响。因此，伽马射线辐照可有效改良包括籽粒产量在内的目标性状。突变系DTWM-16在各环境中表现出最高的基线优越度和产量稳定性，紧随其后的是对照WH1105和突变系DTWM-15。在逆境环境下，DTWM-08和DTWM-16表现出突出的局部适应性。病害筛选显示，34%的突变系（包括DTWM-03和DTWM-08）获得完全锈病免疫，成功打破了亲本品系DBW88的高度感病性。此外，分子谱分析表明其整体遗传基础较窄，保留了优良亲本结构；然而，突变系DTWM-10和DTWM-14作为显著分化的离群株系出现，具有独特的等位基因组合和杂合片段。总之，本研究证实诱导诱变可有效平衡产量稳定性与强抗病性，并提示这些性状可以超越其亲本基因型对应性状的表现。DTWM-08和DTWM-16等优良突变系是区域栽培的理想候选材料，而分化突变系DTWM-10和DTWM-14为未来杂交亲本组合拓宽小麦基因库提供了宝贵的遗传资源。新产生的突变体也可用于今后研究复杂性状的遗传机制。

气候变化与条锈病（stripe rust）等生物胁迫严重威胁印度及全球小麦可持续生产。传统育种周期长，且受复杂性状遗传机制的制约，同时现有优良品种遗传基础较窄，难以同时实现高产、稳产与抗病。诱变育种可在保留优良亲本遗传背景的同时引入新变异，因此研究人员利用⁶⁰Co γ射线辐照主栽小麦品种DBW88的种子，经连续多代选择获得20个突变系，旨在系统评价其产量性能、稳定性、条锈病抗性及遗传多样性，明确其育种利用价值。

研究人员将DBW88种子经250、300和350 Gy三种剂量的⁶⁰Co γ射线处理，通过M1至M3世代田间选择，最终以20个突变系连同亲本和商业对照HD2967、HD3086、WH1105，在ICAR-IIWBR Karnal研究农场进行2021-22、2022-23和2023-24三个年度多环境试验。试验采用随机完全区组设计，调查株高、穗长、千粒重、籽粒产量等性状；利用成株抗性（APR）和苗期抗性测定（SRT）进行条锈病和叶锈病抗性鉴定；采用AMMI模型、GGE双标图和优越度指数解析基因型-环境互作（GEI）与稳定性；利用KASP SNP标记开展分子多样性分析，包括主成分分析（PCA）、身份一致性（IBS）距离、层次聚类和基因型热图。此外，还在印度北部7个热点地区进行了条锈病多地点辅助筛查。

方差分析表明，基因型、环境及其互作对籽粒产量均有极显著影响，且第一个互作主成分轴（IPCA1）解释了80.6%的GEI方差，说明产量受到强烈环境调控。性状相关分析显示，籽粒产量与单穗粒数、粒重、总粒数显著正相关，与抽穗天数和穗数显著负相关，提示提高穗部生产能力并保持较早抽穗有利于增产。

产量稳定性方面，优越度指数以DTWM-16最低（P_i=0.14），WH1105（0.19）和DTWM-15（0.35）次之，表明其综合产量稳定且优良。AMMI和GGE双标图共同确认DTWM-16、DTWM-15、WH1105为广适稳定型；DTWM-08和DTWM-16在逆境环境（E1，2021-22）中表现突出，WH1105和DBW88在有利环境中优势明显，DTWM-09、DTWM-12、DTWM-13、DTWM-20则与E3（2023-24）具有正互作。GGE双标图进一步显示，E3兼具中等区分力和高代表性，是较理想的测试环境。

条锈病抗性鉴定中，在严重且均匀发病条件下，34%的突变系（包括DTWM-03和DTWM-08）表现免疫，而亲本DBW88高度感病。平均侵染系数（ACI）与粒重、千粒重和总粒数均呈负相关，其中与千粒重的负相关最强，说明条锈病主要通过影响灌浆过程降低产量。DTWM-08和DTWM-16兼具低ACI、成株抗性和良好农艺性状，是同步改良产量与抗病性的优良材料。

分子多样性方面，基于KASP SNP标记的PCA显示前两个主成分分别解释28%和22%的分子方差。多数突变系与亲本DBW88和对照紧密聚集，表明整体遗传基础较窄，诱变处理基本保留了亲本优良结构；但DTWM-10和DTWM-14在PCA、层次聚类和IBS热图中均明显分离，IBS距离为0.20-0.25，基因型热图显示其具有特征性杂合片段和独特等位基因组合，说明这两个突变系携带新的遗传变异，可作为拓宽小麦基因库的候选资源。

讨论部分指出，诱变在产生表型变异的同时能够打破抗病性与产量之间的负向连锁；ACI与千粒重强烈负相关，因此在锈病易发环境下选择低ACI是保证千粒重和产量的重要前提。分子结果与表型观察相互印证，说明多数突变体仅发生局部基因改变，而DTWM-10和DTWM-14的独特遗传结构为后续杂交育种提供了新变异来源。结论认为，通过结合多环境田间试验和高通量KASP SNP分析，本研究成功鉴定出在产量稳定性与强抗病性之间取得平衡的优良小麦突变体。DTWM-08、DTWM-16和WH1105因其极低的P_i值、较高的平均产量和稳定的AMMI/GGE表现，成为区域多环境利用的首选候选材料。同时，高度分化的突变系DTWM-10和DTWM-14提供了新的遗传变异来源，应将其整合到未来杂交亲本组合中，以拓宽当前优良品系的狭窄遗传基础、打破不利连锁并重组新等位基因，从而实现针对条锈病的持久、长期抗性。