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培育适应干旱作物，提高气候适应能力

2023-03-22 11:44

昆士兰农业和食品创新联盟(QAAFI)Mark Cooper研究团队在THE PLANT CELL上发表了关于玉米育种的综述，应用“育种方程”框架，回顾了已用于成功培育具有更高抗旱性作物的方法和策略。

文章题目

Breeding crops for drought-affected environments and improved climate resilience

第一作者：Mark Cooper

通讯作者：Mark Cooper

通讯单位：昆士兰农业和食品创新联盟

杂志：THE PLANT CELL

影响因子：12.085/Q1

文章链接：

https://doi.org/10.1093/plcell/koac321

研究背景

培育抗气候变化的作物，提高非生物和生物抗环境压力水平，以应对多变的气候，既是机遇，也是挑战。虽然水分匮乏可能是造成非生物胁迫条件的主要原因，但通常还存在其他非生物和生物因素会加剧水分限制并与之相互作用，从而导致胁迫增强和产量减少。

当作物在其生命周期内可获得的总水量（来自土壤水分、降雨和灌溉）低于在目标农业环境中实现至少80%潜在产量的稳定可收获产量所需的作物需求时，应考虑进行有针对性的育种，以提高抗旱性。

研究意义

创新建立在育种方程定量遗传学基础上的科学方法，将绩效评估从短期遗传收益扩展到包括对环境、水资源利用和温室气体排放的长期影响，开发相对应平台，促进从基因到生态系统的科学知识解码整合。这些举措将在育种计划的应用中创造更多新的机会，协调未来作物育种工作（包括作物内部和作物之间），促进可再生农业系统的发展，从而缓解环境退化问题，提高作物对气候变化的适应能力。

应用“育种方程”(breeder’s equation，用于预测育种计划周期对选择的响应)框架，作者回顾了已用于成功培育具有更高抗旱性作物的方法和策略，其中目标环境群体(TPEs)是受干旱影响和有利(充足)环境在空间和时间维度上的异质性混合。

▲育种方程的三个公式

A，Lush(1937)首次提出的公式，以及Boer等人(2007)报告的玉米多环境试验(MET)谷物产量的结果图示，该试验用于评估来自美国玉米带的大型双亲本测绘研究的子代样本；

B，第二种形式强调基因型参考群体中个体育种值的遗传变异与控制性状育种值基因的有利等位基因从一个育种周期传递到下一个育种周期的预测准确性之间的联系。这种方程的预测精度分量(r_a)作为研究目标，通过设计更新G2P模型来改进基因组预测在植物育种中的应用；

C，第三种形式的结构是为了强调在育种计划阶段进行的METs中可以暴露的目标性状的遗传变异与TPE内的预期性状遗传变异之间的遗传相关性。

▲两种玉米杂交种在三种不同水分条件下籽粒产量反应规范的对比试验

本文以美国玉米温带玉米的长期改良为例，并与其他作物和地区的进展进行了比较。需要整合从基因组到生态系统的跨尺度性状信息，以准确预测当前和未来TPEs中基因型的产量结果，这将需要跨学科团队探索利用新机会来加速育种项目的成果。

▲G×E相互作用和玉米杂交(基因型)在抗旱性和产量潜力对比水平下的籽粒产量对比反应规范的示意图，以及由作物蒸散连续体表示的水分可利用性对比环境

▲G×E相互作用图示

抗旱育种需要考虑和选择不同环境中的基因型产量反应规范，因此需要考虑TPEs内基因型与环境(G×E)相互作用的程度和因素，包括考虑G×(E×M)相互作用。

E：土壤和气

M：作物轮作、种植日期和密度、行距、灌溉、施肥、病虫害防治措施、机械化等

ΔG：正如“育种方程式”所预测的那样，育种方程式的目标是农业环境的综合环境管理(E×M)条件，因此必须处理环境-环境-管理(G×E×M)相互作用的机会和复杂性

▲整合表型、基因分型和环境分型，为育种预测应用创建训练数据集。对植物育种计划阶段的METs育种中涉及的表型、环境分型和基因分型活动的关键成分和方法不同观点。

MET数据集在多个育种计划周期内的积累可用于设计适当的训练数据集，以开发育种中基因组预测应用的模型。个体条目的基因分型用于基于个体标记（例如单核苷酸多态性；SNP）或用于形成单倍型连续标记组合来构建基因型预测因子。环境分类活动旨在构建环境预测因子，用于区分环境的不同特征（例如作物蒸散量，以整合许多环境和作物变量，从而确定作物的水分可用性，并区分缺水环境和水分充足环境）。