培育适应干旱的作物 提高气候适应能力


发布时间:

2022-12-16

来源:

植物表型资讯

作者:

PhenoTrait

培育抗气候变化的作物,提高非生物和生物的抗逆性水平,以应对气候变化,既带来了机遇,也带来了挑战。应用“育种者方程(breeder’s equation)”(用于预测育种计划周期对选择的响应)的框架,本文回顾了已被用于成功培育抗旱性水平提高的作物的方法和策略,其中目标环境群体是受干旱影响和有利(水充足)环境在空间和时间上的异质混合。将美国玉米带温带玉米的长期改良作为一个案例研究,并与其他作物和地区的进展进行比较。需要整合从基因组到生态系统的跨尺度性状信息,以准确预测当前和未来环境目标种群中基因型的产量结果。这将需要跨学科团队来探索、识别和利用新的机会,以加速育种计划的成果;改良的种质资源和改良的产品(栽培品种、杂交品种、无性系、群体)都优于和取代了农民使用的产品,并结合适合当地环境的改良农艺管理策略。
 

图1 育种者方程的三个公式。A) Lush(1937年)首次提出的公式,以及基于Boer等人(2007年)报告的谷物产量结果的图形表示,用于一项玉米多环境试验,以评估来自美国玉米带内一项大型双双亲绘图研究的后代样本。B)第二种形式的结构强调基因型参考群体中个体间育种值的遗传变异与从一个育种周期到下一个育种周期中控制性状育种值的基因的有利等位基因的传播预测准确性之间的联系。这种形式的方程的预测精度分量是通过设计改进的G2P模型来改进基因组预测在植物育种中的应用的研究目标。C)第三种形式的结构强调在育种计划的各个阶段进行的多环境试验中可以暴露的目标性状的遗传变异(如图2和图4)与目标环境群体中预期的性状遗传变异之间的遗传相关性。

 

图2 两种玉米杂交种在三种不同水分条件下籽粒产量反应规范对比的试验论证。图片来自对两个商业玉米杂交种P1498(耐受性)和33D49(敏感性)的评价,它们在有充足水分的环境中具有相似的产量潜力,在花期和灌浆期灌浆后的水限制条件下,产量的反应截然不同。试验在生长季无降雨,滴带灌溉条件下进行。A)在实施三级灌溉处理的相邻小区中,杂交P1498收获时的地上生物量产量。B)三种灌溉处理中,每一种都在同一地块内的五株相邻植株上种植杂交种P1498。C)三种灌溉处理中,每一种都在同一地块内种植5株相邻植株的杂交种33D49。每个杂交处理组合的产量水平是从用于穗部图像的整个试验田的联合收获中获得的。

 

图3 玉米杂交种(基因型)籽粒产量的GxE相互作用和对比反应规范示意图,具有对比的抗旱性和产量潜力水平,以及对比的水可用性环境,由作物蒸散连续统表示。A)基于对比产量-蒸散发反应规范(Gen_1,高产潜力和干旱敏感;Gen_2低产量潜力和抗旱性),以季节作物总蒸散发量化的水有效度环境对比(Env_1,环境类型特征为低水有效度;Env_2,以高有效水为特征的环境型)。利用分位数回归(Q99%, 99%分位数回归;Q80%, 80%分位数回归)到模拟GxExM组合的大样本,旨在代表美国玉米带环境的目标种群(Cooper et al. 2020)。插入图绘制了育种多环境试验(Multi-Environment Trial,MET)中观察到的产量变化与目标环境种群(Target Population of Environments,TPE)之间的理论遗传协方差,作为MET中采样的两种环境类型(Env_1, ET = 300mm和Env_2 = 800mm)的频率在0到1之间的变化,相对于它们在TPE中的频率(从0到1)。将MET和TPE之间的籽粒产量遗传协方差与MET和TPE之间的遗传方差结合起来,估计MET和TPE之间的遗传相关性,如图1中育种方程的形式三所示。B)一组玉米杂交种的经验产量结果,在由作物蒸散作用确定的不同水分可用性水平的环境中进行评估。经验结果还被叠加在Q99%和Q80%产量-蒸散发前沿(Cooper et al. 2020)。如图2所示,从多环境试验的全部杂交种中鉴定出一组耐旱杂交种和一组干旱敏感杂交种。

 

图4 整合表型分型、基因型和环境分型,为育种预测应用创建训练数据集。在植物育种计划各阶段的育种多环境试验(MET)中,对表型、环境和基因分型活动的关键成分和方法的不同观点。在多个育种计划周期中积累的MET数据集可用于设计适当的训练数据集,以开发基因组预测在育种中的应用模型。个体条目的基因分型被用于构建基于个体标记的基因型预测因子(如单核苷酸多态性(Single Nucleotide Polymorphisms,SNPs))或用于形成单倍型的相邻标记的组合。开展环境分类活动是为了建立环境预测指标,用以区分环境的不同特征(例如,作物蒸散量,以综合许多环境和作物变量,这些变量决定作物的可用水性,并区分缺水环境和缺水环境)。

 

图5 GxE相互作用的示意图。A)籽粒产量的GxE相互作用的出现和籽粒产量的两种对照基因型反应规范(G1, G2)沿着由作物蒸散作用决定的作物水分有效性变化的连续环境(E1-E5) (Messina et al. 2022a,b)。B)在水分利用连续统上的籽粒产量变化反应规范是作物全生命周期中不同生理过程和性状(T1 ~ T9)和性状网络(由不同性状贡献和TxT相互作用表示)贡献变化的结果,它们随环境条件的变化决定了籽粒产量的结果。产量建模为GxExM条件沿水有效性连续体的函数。如图3和图4所示,可通过应用适当的环境描述符来量化连续的水可用性。将图3中的80%分位数产量-蒸散发锋面(Q80)进行叠加,以表明不同性状组合对玉米杂交种籽粒产量表现的预期贡献度。在育种计划改进的基因型参考群体中,不同性状贡献和遗传变异的组合有助于出现粮食产量的遗传变异,通过环境分型确定的环境类型之间的GxE相互作用(用于环境类型E1和环境类型E2到E5之间的水有效性连续统一体的比较),两个杂交种籽粒产量的对比反应规范表明。作为参考,图2提供了对比环境类型的分层样本对比玉米杂交种籽粒产量反应规范实例的经验演示。

 

图6 图4所示为不同表型、环境和基因分型方法的输入示例,与使用适当的作物生长模型的分级基因型-表型模型相结合,用于预测玉米杂交种的籽粒产量。该实例基于玉米作物生长模型(crop growth model,CGM)结合全基因组预测(whole genome prediction,WGP)对作物生长模型(CGM-WGP)中所包含的性状网络的应用,用于预测玉米杂交种在一系列不同水分可利用性环境下的产量,并基于Messina et al. (2018) 和Diepenbrock et al. (2022)报告的研究。

 

来 源

Cooper M, Messina CD. Breeding crops for drought-affected environments and improved climate resilience. Plant Cell. 2022 Nov 12:koac321. doi: 10.1093/plcell/koac321.

 

编 辑

王春颖

 

扩展阅读

推荐新闻

石时之约|韩志国:透过表型数据,看见植物的喜怒哀乐!

本期石时之约,我们将对话慧诺瑞德(北京)科技有限公司总经理、国际植物表型学会(IPPN)执委会委员/工业分会副主席韩志国,一起从表型数据的科学角度,去读懂农作物的喜怒哀乐和前世今生。

慧科研、慧育种、慧种田——慧聚改变的力量

让我们“慧聚”在一起,为“慧科研、慧育种、慧种田”赋能。

高通量植物表型平台建设注意事项

育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

作物生理表型测量基础原理

生理表型测量的核心在于“早、快”,要在肉眼可见之前就能测量并预判出变化趋势,才是这个技术的核心价值。叶绿素荧光成像,恰好满足了这个要求。