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氣候變化下小麥育種何去何從
2021-09-02 00:00:15 來源：《中國科學報》
CIMMYT在墨西哥的小麥品種區(qū)試試驗站。受訪者供圖
作物生長發(fā)育過程由基因和環(huán)境共同決定，幾乎沒有一個性狀是純粹由遺傳基因或者外界環(huán)境因素單獨決定的。因此基因和環(huán)境交互作用對于解釋個體特征具有非常重要的理論和實踐意義。
近日，《自然—植物》在線發(fā)表了河南農(nóng)業(yè)大學研究人員與國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）研究人員的最新合作成果，首次系統(tǒng)分析了1980年至2018年近40年來全球小麥區(qū)試中作物產(chǎn)量和部分性狀的變化情況，揭示了小麥基因和環(huán)境交互作用的規(guī)律。
多年多點試驗的數(shù)據(jù)分析
“評估小麥品系表現(xiàn)的最常用方法是品種的多年多點區(qū)域試驗?！闭撐牡谝蛔髡呒巴ㄓ嵶髡摺IMMYT—中國（河南）小麥玉米改良中心研究員熊偉告訴《中國科學報》，由于作物的遺傳屬性在不同環(huán)境條件下的表達不盡相同，所以在新品種推廣和進一步雜交之前，會對這些品種開展多環(huán)境條件、多個管理水平下的品種區(qū)域試驗，從而有效評估品種表現(xiàn)、確定對應(yīng)環(huán)境下的最優(yōu)品種。
論文作者、CIMMYT研究員Matthew P.Reynolds介紹，該中心從上世紀70年代開始與各國育種機構(gòu)和個人合作，建立了國際小麥育種聯(lián)合網(wǎng)。該網(wǎng)通過建立一系列有針對性的長期試驗平臺，對不同品系的小麥品種進行評估和篩選，如地中海地區(qū)的硬質(zhì)小麥品種IDYN和抗高溫小麥品種IHWYT等。
參加測試的研究人員和機構(gòu)一般具有廣泛的空間代表性，并按一定標準提供測試數(shù)據(jù)，包括生育期指標、產(chǎn)量性狀及抗性能力。
研究人員會對每年提交的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如品種間的產(chǎn)量表現(xiàn)、表型差異及其對產(chǎn)量的影響等。通過對比品種的遺傳譜系和它們在不同環(huán)境下的表現(xiàn)，對品種的遺傳性、穩(wěn)定性、環(huán)境適宜性等進行判斷，并以此作為基礎(chǔ)，選擇自交親本或挑選出下一年度擬測試的品種。
熊偉告訴《中國科學報》：“這些長期和大范圍的測試數(shù)據(jù)就是這項研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。”CIMMYT擁有2.8萬份玉米和15萬份小麥資源，居世界首位。目前，發(fā)展中國家約50%玉米和小麥品種含有CIMMYT親本。
不同環(huán)境下小麥品質(zhì)排序變化
“在全球氣候變化的背景下，對于基因和環(huán)境交互作用的深入研究，將有助于我們了解遺傳物質(zhì)在不同環(huán)境、不同管理下表達的差異及其原因，從而可以設(shè)計具有針對性的育種策略、調(diào)整品種區(qū)域試驗的設(shè)計方案、開展具有環(huán)境針對性的品種布局和推廣工作等?！毙軅フf。
由于基因—環(huán)境交互的影響，判斷小麥品種的優(yōu)劣，一般依據(jù)品種在各環(huán)境下的排名而非性狀的絕對值。
比如，當兩個品種的同一個表型（如產(chǎn)量）在兩個環(huán)境下發(fā)生排序變化時，說明兩個品種在這兩個環(huán)境下的表現(xiàn)不同，并具有顯著差異，表明無法從兩個品種中選擇出同時適應(yīng)這兩個地方的更優(yōu)品種。
熊偉介紹，判斷品種間是否發(fā)生排序變化必須構(gòu)建每個品種性狀因子（如產(chǎn)量）與環(huán)境因子（一般用品種在不同環(huán)境下的性狀平均值）的線性關(guān)系。當兩個品種的線性擬合線在環(huán)境梯度范圍內(nèi)發(fā)生交叉時，就認為發(fā)生了排序變化，反之即沒有發(fā)生排序變化。
所以，“當一個育種試驗平臺中的品種排序變化發(fā)生的概率越高，表明找出普適性優(yōu)勢品種的可能性就越低?！毙軅フf。
論文作者、CIMMYT研究員Thomas Payne介紹，他們研究了4個小麥品種在全球育種試驗平臺的試驗數(shù)據(jù)，其中，兩個高產(chǎn)品種ESWYT、IDYN，主要關(guān)注產(chǎn)量的提升，各試驗站點的環(huán)境和管理水平相對較好；兩個抗逆品種HTWYT、SAWYT，主要關(guān)注如何提高品種的抗高溫和抗旱性能，其試驗站點的環(huán)境和管理水平相對較低，如以雨養(yǎng)為主。
研究發(fā)現(xiàn)，對于高產(chǎn)品種而言，氣候變化使其發(fā)生排序變化的概率增加了15%；而對于抗逆品種而言，其排序發(fā)生概率未見明顯變化，反而還有降低趨勢。
“這說明，氣候變化使高產(chǎn)育種的選育難度加大，而抗逆育種的選育難度不變，甚至降低?！盤ayne解釋說，由于抗高溫品種生育期短，包含抗逆基因，使其在增溫環(huán)境下更容易表現(xiàn)出較高的適宜性和穩(wěn)定性，從而降低品種間發(fā)生排序變化的可能性，為選擇出抗高溫種質(zhì)資源提供了更大的可能性。
氣候變化下小麥育種策略選擇
通過對上述4個品種的育種計劃歷史數(shù)據(jù)進行趨勢分析，該團隊發(fā)現(xiàn)，4個計劃的基因—環(huán)境交互作用均有明顯上升趨勢，品種間發(fā)生排序變化的概率均有增加。進一步計算發(fā)現(xiàn)，氣候因子可以解釋70%以上的排序變化，準確率高達80%以上。
“利用產(chǎn)量預測模型，我們模擬了歷代品種在所有環(huán)境下的產(chǎn)量水平，并再次計算了發(fā)生排序變化的概率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，雖然品種的基因差異仍然是排序發(fā)生變化的主要原因，但氣候變化在時間尺度上已經(jīng)發(fā)揮了一定的作用，開始影響育種的效率?！毙軅娬{(diào)。
他們認為，氣候變化影響基因—環(huán)境交互作用的機制有兩個，由于氣候變化縮短作物的生育期，使試驗站的平均產(chǎn)量水平有所下降，增加了低產(chǎn)站點的比例，從而整體上增加了發(fā)生排序變化的概率；氣候變化使環(huán)境的空間差異性加大，極端天氣事件增多，使同一環(huán)境下的年際變率增強，環(huán)境差異的加大將增加作物在各環(huán)境間的表現(xiàn)差異，從而潛在地增加了基因—環(huán)境交互作用。
為此，他們對小麥育種策略的選擇提出了建議。
“我們首次明確了氣候變化已經(jīng)對全球小麥育種產(chǎn)生了影響，并定量地分析了這種影響的大小?！毙軅フf，數(shù)據(jù)表明，這種影響是不能忽略的，需要引起育種學家和政府部門的高度重視。
目前，成功選育一個小麥新品種的平均時間大概為4~7年，由于未來氣候變化的進一步加劇，新品種育成時間可能會延長，成功率會下降?！斑@需要政府部門加大對育種新技術(shù)、新方法的研發(fā)投入，趨利避害，保證和提高目前的育種效率?！毙軅フf。
其次，品種排序發(fā)生變化的概率增加，表明如果維持當前的育種計劃和育種目標，目前最常見的高產(chǎn)選育的成功率會降低。
“氣候變化會使未來育種目標在普適性和區(qū)域性之間作出平衡，需要對育種平臺的試驗站點進行重新劃分和布局?！毙軅ソㄗh。
不過，環(huán)境的快速變化為抗逆育種的發(fā)展提供了機會。他們認為，氣候變化下抗逆育種的選育成功率和產(chǎn)量增加趨勢可能會高于高產(chǎn)育種。（李晨）
[ 責編：張夢凡]
