解析高粱基因型与环境互作，筛选优质红高粱基因型助力粮食安全

研究人员评估 27 种红高粱基因型，分析基因型 × 环境互作（G×E），筛选出 G14 等优质基因型，保障粮食营养安全。

　　

高粱研究：探寻优质基因型，保障粮食营养安全

高粱，作为世界上排名第 5 的重要谷物，在干旱和半干旱地区广泛种植。其中，红高粱因其丰富的生物活性化合物和无麸质特性，在食品、饲料和制药领域备受青睐。然而，高粱的产量受到环境因素的显著影响，基因型与环境之间的复杂互作给高粱育种带来了巨大挑战。在印度这样环境多样的国家，选育适应非传统地区的高粱品种成为当务之急。为了解决这些问题，来自印度相关研究机构的研究人员开展了一项关于红高粱的研究，旨在评估不同基因型红高粱在不同环境下的表现，筛选出稳定高产且营养丰富的基因型，相关研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上。

研究方法

研究人员收集了来自印度泰米尔纳德邦不同地区的 27 种红高粱基因型，包括栽培品种和地方品种。这些高粱在 2024 年夏季于泰米尔纳德邦南部农业气候区的三个地点（E1：马杜赖；E2：帕拉马库迪；E3：科维尔帕蒂）进行种植，采用随机区组设计（RBD），每个地点设置三次重复。在高粱的开花、成熟和收获后阶段，研究人员对 11 个形态学性状进行了评估，包括开花时间（DTF）、株高（PH）、叶片数量（NL）等。同时，利用原子吸收分光光度计测定了高粱籽粒中的铁（Fe）和锌（Zn）含量。

为了深入分析数据，研究人员运用了多种统计方法。通过联合方差分析评估基因型、环境和基因型 × 环境互作（GEI）对各性状的影响；采用加性主效应和乘积互作（AMMI）模型和基因型 - 环境互作（GGE）双标图分析，来识别稳定高产的基因型以及不同环境下的优势基因型；运用多性状稳定性指数（MTSI）、多性状基因型 - 理想型距离指数（MGIDI）等多种多性状稳定性评估方法，综合考量多个性状，筛选出表现优异的基因型。

研究结果

1. 均值表现和联合方差分析：联合方差分析显示，不同基因型在各性状上存在显著差异，基因型对大多数性状的影响最为显著，其次是环境。例如，基因型对开花时间（DTF）的影响占总方差的 85.3%，而环境对株高（PH）的影响占总方差的 48.8%。同时，基因型 × 环境互作（GEI）对许多性状也有显著影响，表明基因型的表现会因环境而异。在产量（YIELD）方面，基因型方差占 50.2%，GEI 占 28.8%，环境占 21.0%，说明遗传因素是产量变异的关键，但环境因素和基因型与环境的互作也不容忽视。
2. 基因型 × 环境互作分析：AMMI 分析结果表明，基因型、环境和 GEI 对所有性状的加性成分变异都有显著影响。GEI 在 1% 的概率水平上对所有性状都显著，这导致不同环境下基因型的排名发生变化。进一步分析发现，GEI 可分解为两个交互成分，通过主成分分析进行识别。虽然强 GEI 效应可能阻碍产量和穗重等数量性状的遗传改良，但本研究中 GEI 的百分比处于低到中等水平，表明在不同环境条件下大多数性状仍有改进的潜力。
3. AMMI 双标图分析：基于 AMMI 模型，研究人员绘制了双标图以识别稳定基因型。对于产量（YIELD），环境 E2 和 E3 位于平均产量线左侧，表明其生产力较低，而 E1 位于右侧，生产力较高。对于穗重（PW），E1 生产力较高但与基因型的交互作用相对较少。在微量元素含量方面，E2 和 E3 对铁（Fe）和锌（Zn）的积累更为有利，但对产量和穗重的生产性较低。通过双标图，研究人员还发现基因型 G9 和 G14 在产量方面表现稳定，G18 在铁含量方面表现突出，G17 在锌含量方面表现较好。
4. GGE 双标图分析：GGE 双标图用于分析基因型、环境及其互作的变异。第一和第二主成分解释了大部分方差，表明双标图在捕捉变异方面具有较高的有效性。通过 “Which-Won-Where and What” 分析，研究人员确定了不同环境下的优势基因型。例如，对于产量，E1 和 E3 的优势基因型为 G11，E2 的优势基因型为 G6。在均值与稳定性分析中，G9 和 G14 表现出稳定且高产的特性，G14、G17 和 G18 在铁和锌含量方面表现出良好的稳定性和适应性。
5. 多性状稳定性分析：研究人员运用多种多性状稳定性评估方法，如 MTSI、MGIDI 等，对基因型进行筛选。结果表明，G14 在所有评估方法中均表现出色，被认为是最可靠的基因型。不同评估方法之间存在一定的重合度，G14 是所有模型中共同选择的基因型，具有广泛的适应性和优异的表现。此外，研究还发现，与其他指数相比，MGIDI 指数在选择与理想型匹配的基因型方面表现更优，尤其在低性状相关性的数据集中优势明显。

研究结论与意义

本研究通过对 27 种红高粱基因型在不同环境下的评估，深入分析了基因型 × 环境互作（G×E），并利用多种多性状稳定性选择方法筛选出了优质基因型。研究发现，G11 适合 E1 和 E3 环境，G6 适合 E2 环境，而 G9 和 G14 在所有三个环境中都表现出色。其中，G14 在稳定性分析中表现稳定，具有较高的微量元素含量，在多性状稳定性评估中始终排名靠前。这些结果表明，G14 等基因型具有作为亲本或预育种材料的巨大潜力，可用于未来红高粱育种计划，培育高产且营养丰富的品种，有助于保障粮食、饲料和营养安全。

此外，本研究也揭示了高粱生物产量受基因型和环境因素的强烈影响，许多生物计量和品质特征存在显著的基因型 - 环境互作。未来的研究可以聚焦于标记辅助选择，以应对这些挑战，实现产量和营养含量的同步提升。总之，该研究为红高粱的遗传改良和品种选育提供了重要的理论依据和实践指导，对推动高粱产业的发展具有重要意义。