通过遗传多样性评估和利用SSR标记选择优良亲本，高效利用Populus simonii种质资源

《Industrial Crops and Products》：Efficient utilization of Populus simonii germplasms through genetic diversity evaluation and superior parent selection using SSR markers

本研究基于42个SSR标记，分析了274份P. simonii种质的遗传多样性，发现其可分为三个亚种群。通过Core Hunter算法构建了遗传代表性核心种质库，并利用半同胞家系筛选出高结合力亲本Psi-120和Psi-110，以及22个优良杂交组合。父系鉴定显示不同亚种群间的杂交具有显著杂种优势，为遗传改良提供了理论依据。

　　在中国北方，*Populus simonii*（毛白杨）是一种具有重要生态价值的本土树种，因其快速生长、抗旱、耐寒和易于生根等特性而被广泛用于林业和生态修复。然而，尽管该树种具有重要的应用潜力，其遗传资源的高效利用和遗传改良仍面临诸多挑战。近年来，由于森林砍伐和气候变化等环境因素的影响，*P. simonii*的自然种群数量有所下降，同时对其遗传资源的研究相对有限，导致其遗传潜力未能充分开发。为了更好地利用和改良这一重要树种，本研究通过遗传多样性分析、种群结构研究以及核心种质的筛选，旨在为*P. simonii*的遗传改良和可持续利用提供科学依据。

### 遗传多样性分析

本研究使用了42个简单重复序列（SSR）标记对来自274个不同地理区域的*P. simonii*种质进行了遗传多样性分析。这些种质主要来自内蒙古、吉林、辽宁、河北、山西、河南、陕西、宁夏、甘肃和青海等地区。研究发现，这些种质共检测到338个等位基因，平均每基因座有8.024个等位基因，表明*P. simonii*具有较高的遗传多样性。此外，研究还计算了有效等位基因数（*N_e*）、香农信息指数（*I*）、观察杂合度（*H_o*）、期望杂合度（*H_e*）和多态性信息含量（*PIC*）等指标，平均值分别为2.478、1.042、0.445、0.495和0.460。这些数据表明，*P. simonii*的遗传多样性较为丰富，尤其在青海地区的种质中表现最为突出，这可能与其复杂的地形和极端的气候条件有关。

### 种群结构分析

为了进一步理解*P. simonii*的种群结构，研究团队使用了STRUCTURE分析方法。通过对不同种群的遗传结构进行分析，发现所有种质可以分为三个亚种群：Pop1、Pop2和Pop3。其中，Pop1和Pop2主要由来自内蒙古、吉林、辽宁、山西和陕西的种质组成，而Pop3则主要由来自青海的种质构成。研究还发现，某些种质在不同的地理区域之间具有较高的遗传相似性，而另一些则表现出显著的遗传分化。这一种群结构的发现为*P. simonii*的遗传改良提供了重要的参考依据，有助于识别具有不同遗传背景的种质，以便在育种过程中实现更有效的基因组合。

### 核心种质的筛选与评估

由于遗传资源数量庞大，直接利用所有种质可能效率低下且成本高昂。因此，研究团队采用三种不同的方法（Power Core、Core Finder和Core Hunter）对*P. simonii*的种质进行了核心种质的筛选。Power Core和Core Finder方法均保留了原始种质中所有的等位基因，但Core Hunter方法在有效等位基因数、香农信息指数、观察杂合度、期望杂合度和多态性信息含量等指标上表现更为优异。此外，Core Hunter方法构建的核心种质在遗传距离上也更具代表性，平均遗传距离为0.505，高于Power Core和Core Finder方法的0.499和0.497。这些结果表明，Core Hunter方法能够更有效地保留遗传多样性，同时减少冗余种质，为后续的育种工作提供了更为精准的种质基础。

### 半同胞家系的构建与生长性状分析

为了评估*P. simonii*的遗传潜力，研究团队通过自然授粉的方式构建了18个半同胞家系，并对这些家系中的生长性状进行了详细分析。研究发现，不同家系在植物高度（PH）、基部直径（GD）和节间数（IN）等性状上表现出显著差异。其中，Psi-120和Psi-110两个家系的PH和GD值较高，且在节间数方面也表现出较强的优势。这些结果表明，这些家系可能具有较高的杂交能力（GCA），适合用于进一步的遗传改良。此外，通过广义线性混合模型（GLMM）分析，研究团队计算了不同性状的遗传力（*h^2*），发现PH、GD和IN的遗传力分别为0.89、0.94和0.77，表明这些性状在种质改良中具有重要的遗传基础。

### 优质幼苗的筛选与遗传增益计算

为了进一步筛选出具有优良遗传特性的个体，研究团队使用了主成分分析（PCA）方法对半同胞家系中的幼苗进行了评估。结果表明，PCA第一主成分（PC1）能够解释85.78%的总方差，并且对所有生长性状具有较强的正向负载，表明PC1得分较高的幼苗在生长表现上更具优势。因此，研究团队选择了200个PC1得分最高的幼苗作为优质个体，并计算了它们的遗传增益（*ΔG*）。结果显示，这些优质个体在PH、GD和IN上的遗传增益分别为50.84%、56.24%和34.41%，表明通过选择这些个体可以显著提高*P. simonii*的生长性能。此外，研究还发现，某些优质幼苗来源于遗传力较低的亲本，这可能与非加性效应（如显性互补效应）有关，为未来的杂交育种提供了新的思路。

### 父本的鉴定与优良杂交组合的筛选

为了准确鉴定优质幼苗的父本来源，研究团队使用了19个高通量SSR标记进行父本鉴定。结果表明，这些SSR标记能够有效区分父本，且累积排除概率（EP2和EPP）分别达到了0.998和0.999，表明这些标记具有较高的分辨率。通过父本鉴定，研究团队确定了93个优质幼苗的父本，并筛选出22个可能的优良杂交组合。其中，大多数组合来源于不同亚种群的亲本，尤其是遗传分化较高的组合，这可能与父本和母本之间的互补效应有关。此外，研究还发现，来自Pop3的母本与Pop1的父本杂交产生的后代表现出较强的杂种优势（heterosis），这一发现为未来的杂交育种提供了重要的参考依据。

### 三倍体种质的发现

在本研究中，研究人员首次在*P. simonii*的自然种群中发现了三倍体种质。这些三倍体种质通过毛细管电泳分析和体细胞染色体计数得到了确认，其中两个为雄性个体，一个性别未明（未开花）。三倍体的发现为*P. simonii*的遗传改良提供了新的方向，因为三倍体通常具有更强的生长能力和更高的产量潜力。此外，研究还指出，极端温度条件可能诱导产生不育的2n花粉，从而导致三倍体的形成。这些三倍体种质的发现为开发具有优良生长特性的三倍体品种提供了重要的材料基础。

### 遗传改良的展望

本研究的结果表明，*P. simonii*具有丰富的遗传多样性，且可以通过核心种质的筛选和优良杂交组合的鉴定来实现高效的遗传改良。通过构建遗传代表性的核心种质，研究团队不仅保留了种质的多样性，还为后续的育种工作提供了更加精准的材料基础。此外，通过半同胞家系的构建和生长性状的分析，研究团队识别了具有优良杂交能力的母本和父本，为未来的杂交育种提供了重要的参考依据。三倍体种质的发现也为*P. simonii*的遗传改良提供了新的思路，尤其是在开发高产、抗逆和快速生长的品种方面具有重要意义。

### 研究意义与未来方向

本研究不仅揭示了*P. simonii*的遗传多样性及其种群结构，还为该树种的遗传改良和可持续利用提供了重要的理论和实践支持。通过核心种质的筛选，研究人员能够更有效地利用有限的资源，减少冗余，提高育种效率。同时，通过半同胞家系的构建和生长性状的分析，研究团队为优良杂交组合的筛选提供了科学依据，有助于提高*P. simonii*的生长性能和适应性。此外，三倍体种质的发现为未来的研究和育种工作提供了新的方向，尤其是在开发具有优良生长特性的三倍体品种方面具有重要意义。未来的研究可以进一步探索这些三倍体种质的遗传机制，以及它们在不同环境条件下的表现，以期为*P. simonii*的遗传改良提供更加全面的理论支持和实践指导。