中国谷子产量与农艺性状的遗传增益：从1970年代到2020年代的演化规律与育种启示

【编辑推荐】本研究通过分析1970-2020年代中国山西主推谷子品种，首次量化了品种更替中遗传改良（贡献率60%）与栽培措施（40%）对产量的协同作用，揭示穗柄长度（PHL, +1.28%）、PSII有效量子产量（Y(II), +1.72%）等7个关键性状与产量显著相关，为C4作物高产育种提供了光合-冠层结构协同优化的新策略。

　　

在干旱半干旱地区，谷子（Setaria italica）作为耐逆性强的C₄作物，既是粮食安全的重要保障，又对糖尿病等代谢紊乱疾病具有辅助治疗价值。然而，现代育种60年来，遗传改良与栽培措施对产量提升的具体贡献始终缺乏量化证据，且关键农艺性状的演化规律不明。山西农业大学的研究团队通过系统分析1970-2020年代5个主栽品种，在《European Journal of Agronomy》发表的研究首次揭示：品种更替带来的遗传改良贡献了60%的产量增益，年遗传增益达35.79 kg ha^-1 year^-1。

研究采用田间随机区组设计，连续两年（2023-2024）测定产量、光合参数（如PSII有效量子产量Y(II)）、冠层光截获（IPAR）及碳水化合物转运等指标。通过年代序列比较和回归分析，发现现代品种呈现出"降株高（-0.39%）而增穗长（+1.28%）"的株型优化趋势，光合器官效率提升尤为显著——光化学淬灭系数（qP）和穗淀粉含量（SCP）分别增长1.82%和0.67%。

【遗传进展】
通过线性回归证实，产量潜力遗传增益达0.96% YOR^-1。2023年最高产品种长胜13较1970年代品种增产32.87%，且干旱年份（2024）仍保持显著优势。

【表型演化】
冠层结构分析显示，0-30 cm层光截获率降低但消光系数（k）增加0.18%，表明现代品种通过优化垂直光分布提高群体光能利用率。光合产物分配方面，花前干物质转运率（DTRBA）下降0.94%，而穗可溶性糖（SSCP）减少0.86%，暗示生殖生长阶段碳同化物直接利用效率提升。

【讨论与意义】
该研究突破性地将产量提升分解为遗传与栽培因素，并鉴定出PHL、Y(II)等7个与产量显著相关的核心性状。特别值得注意的是，PSII光化学效率的持续改良（年增益1.72%）为C₄作物"光合-产量"悖论提供了实证依据。研究建议未来育种应聚焦：① 构建"高qP-低DTRBA"的碳分配模式；② 优化0-60 cm冠层光截获特征；③ 协同提升穗淀粉合成与转运效率。这些发现对干旱区作物设计育种和联合国可持续发展目标（SDG2）的实现具有重要指导价值。