Plant Phenomics | 油菜育種新方法：表型選擇技術(shù)解析

在作物育種中，基因組選擇（Genomic Selection，GS）已成為預(yù)測作物性狀的重要工具。然而，基因組選擇需要大量的基因型標(biāo)記，成本較高。為解決這一問題，本文提出了表型組選擇（Phenomic Selection，PS）作為低成本、高通量的替代方案。PS通過光譜數(shù)據(jù)預(yù)測復(fù)雜性狀，無需依賴基因型信息，具有良好的預(yù)測準(zhǔn)確性。

2024年7月，Plant Phenomics 在線發(fā)表了Justus Liebig University題為Phenomic Selection for Hybrid Rapeseed Breeding 的研究論文。

本文通過近紅外光譜（NIRS）數(shù)據(jù)對410個(gè)油菜雜交組合進(jìn)行了表型組選擇，并與基因組選擇進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明，表型組選擇在預(yù)測種子產(chǎn)量和植株高度等性狀時(shí)，表現(xiàn)優(yōu)于基因組選擇，特別是在僅使用單個(gè)試驗(yàn)場地?cái)?shù)據(jù)時(shí)效果顯著。研究還發(fā)現(xiàn)，通過親本的光譜數(shù)據(jù)預(yù)測雜交后代的性狀是可行的，為油菜雜交育種提供了一種高效、經(jīng)濟(jì)的選擇方法。

圖1是雜交油菜種群及不同環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示意圖。本研究使用的油菜籽群體是基于5個(gè)不同的創(chuàng)始系（P1~P5）與一個(gè)共同的精英系（L1）的雜交。將得到的251個(gè)傳粉媒介與2個(gè)不同的雄性不育自交系（M1和M2）雜交，得到410個(gè)試驗(yàn)雜交種（A）。利用生長在1個(gè)地點(diǎn)的傳粉媒介獲得的近紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行跨代預(yù)測，預(yù)測生長在5個(gè)地點(diǎn)的雜交種的表型性狀（B）。利用近紅外光譜數(shù)據(jù)和雜種（C至E）獲得的表型性狀進(jìn)行代內(nèi)預(yù)測。從所有5個(gè)位點(diǎn)獲得表型性狀，而NIRS數(shù)據(jù)要么從所有5個(gè)位點(diǎn)（C和E）獲得，要么從單個(gè)位點(diǎn)（D）獲得。交叉驗(yàn)證的方法是將雜交群體隨機(jī)分為80%的訓(xùn)練集和20%的測試集，重復(fù)200次（B至D），或者使用5個(gè)原始雜交中的4個(gè)后代的雜交作為訓(xùn)練集，其余亞家族作為測試集（E）。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)概述

圖2 幾種選擇的預(yù)測值和實(shí)際值對比

圖2基于GBLUP/NIRS-BLUP的實(shí)測值（調(diào)整均值）和預(yù)測值（200次交叉驗(yàn)證均值），比較GS（A和D）、PS（B和E）和組合選擇（C和F）對種子產(chǎn)量前80個(gè)基因型（A ~C）或前40個(gè)基因型（D ~ F）的選擇精度。根據(jù)預(yù)測和實(shí)際性能，在選定部分內(nèi)或外的基因型分別被分類為“正確選擇”（CS）或“正確丟棄”（CD）。

在實(shí)際表現(xiàn)較差的預(yù)測中選擇的基因型，反之亦然，分別被歸類為“錯(cuò)誤選擇”（WS）或“錯(cuò)誤丟棄”（WD）。相應(yīng)的百分比數(shù)字表示相應(yīng)的派系規(guī)模。切卡諾夫斯基相似系數(shù)（CZ）表示基于預(yù)測值的選擇精度。Pearson相關(guān)系數(shù)（r）表示各自的預(yù)測精度。近紅外光譜數(shù)據(jù)是在雜交種內(nèi)從收獲的種子中獲得的。

該研究首次驗(yàn)證了表型組選擇在油菜雜交育種中的可行性，證明了親本的光譜數(shù)據(jù)可以用于預(yù)測后代的性狀表現(xiàn)。這一方法能夠顯著降低育種成本，提高育種效率，且易于在現(xiàn)有的育種計(jì)劃中實(shí)施。

論文鏈接：
https://doi.org/10.34133/plantphenomics.0215

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說明：本文由《植物表型組學(xué)》編輯部負(fù)責(zé)組稿。
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編輯排版：王平、陳新月（浙江大學(xué)）
審核：尹歡、孔敏