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CIMMYT在墨西哥小麦品种区试验场。 回答者供图
作物的生长过程是由基因和环境决定的，几乎没有纯粹由基因和外界环境因素单独决定的性状。 因此基因与环境的相互作用对解释个人特征具有十分重要的理论和实践意义。
近日，《自然—植物》在线发布河南农业大学研究人员与国际玉米小麦改良中心( CIMMYT )研究人员的最新合作成果，首次系统分析了1980—2018年近40年全球小麦区试作物产量和部分性状的变化情况
多年多点试验的数据分析
“评价小麦品种表现最常用的方法是品种多年多点区域试验。 ”论文第一作者和通讯作者、CIMMYT—中国(河南)小麦玉米改良中心研究员熊伟在《中国科学报》表示，由于作物的遗传属性在不同的环境条件下有所表达，在新品种推广和进一步杂交之前，需要对这些品种进行多环境条件、多管理水平的品种
论文作者、CIMMYT研究员Matthew P.Reynolds介绍说，该中心从20世纪70年代开始与各国育种机构和个人合作，建立了国际小麦育种联合网络。 该网通过建立一系列有针对性的长期试验平台，对地中海地区硬质小麦品种IDYN和抗高温小麦品种IHWYT等不同品系的小麦品种进行评价筛选。
参加测试的研究人员和机构一般具有广泛的空间代表性，按照一定标准提供测试数据，包括生育期指标、产量性状及耐受能力。
研究人员对每年提交的数据进行统计分析。 例如品种间产量的表现、表型的差异、对产量的影响等。 通过比较品种的遗传谱系和它们在不同环境下的表现，判断品种的遗传性、稳定性、环境适应性等，并以此为基础选择自交亲本，或选择下一年度试验的品种。
熊伟告诉《中国科学报》 :“这些长期和广泛的测试数据是这项研究的数据基础。” CIMMYT拥有玉米2.8万份和小麦15万份资源，居世界第一。 目前，发展中国家约50%的玉米和小麦品种含有CIMMYT亲本。
不同环境下小麦的质量顺序不同
“在全球气候变化背景下，深入研究基因与环境的相互作用，有助于了解不同环境、不同管理下遗传物质表达的差异及其原因，可以有针对性地设计育种策略，调整品种区域试验设计方案，开展环境适应品种配置和推广工作等。”
受基因—环境相互作用的影响，判断小麦品种优劣一般基于各种环境下的等级而不是品种性状的绝对值。
例如两个品种的同一个表型，如产量在两种环境下发生序列变化，表明两个品种在这两种环境下的表现不同，存在显著差异，不能从两个品种中选择更适合两个地方的优良品种。
熊伟介绍，判断品种之间是否发生了顺序变化，必须建立不同品种性状因子(如产量)与环境因子(普通品种在不同环境下的性状平均值)之间的线性关系。 当两个品种的线性拟合线在环境梯度范围内相交时，可能发生了排序变化，反之则没有发生排序变化。
因此，“某育种试验平台发生品种顺序变化的概率越高，找到普遍优势品种的可能性越低。 ”熊伟说。
论文作者、CIMMYT研究员Thomas Payne表示，他们研究了4个小麦品种在世界育种试验平台上的试验数据，其中，2个高产品种ESWYT、IDYN主要关注产量的提高，各试验站点的环境和管理水平相对较好两个抗逆品种HTWYT、SAWYT，主要着眼于提高品种耐高温和抗旱能力的途径，其试验站点环境和管理水平相对较低，如雨养为主。
研究表明，在高产品种中，气候变化发生顺序变化概率增加15%的抗逆品种，其顺序发生概率没有明显变化，反而呈下降趋势。
“这表明，气候变化加大了高产育种选育难度，抗逆育种选育难度没有变，反而有所下降。 ”Payne解释说，耐高温品种生育期短，且含有抗逆基因，在增温环境下更容易表现出适宜性和稳定性，从而降低品种间序列变化的可能性，为耐高温种质资源的选择提供更大的可能性。
气候变化下小麦育种战略选择
通过对这4个品种育种计划历史数据的趋势分析，该团队发现，4个计划的基因-环境相互作用均呈明显上升趋势，品种间序列变化的概率均增加。 进一步计算表明，气候因子可以解释70%以上的顺序变化，准确率在80%以上。
“利用产量预测模型，模拟了历代品种在所有环境下的产量水平，并重新计算了排序变化的概率。 结果表明，品种基因差异仍然是序列变化的主要原因，但气候变化在时间尺度上起着一定的作用，并开始影响育种效率。 ”。 熊伟强调。
他们认为，气候变化影响基因—环境相互作用的机制有两种：气候变化缩短了作物生育期，降低了试验站平均产量水平，增加了低产田比例，总体上增加了作物生长顺序变化的概率； 气候变化加剧了环境的空间差异，加剧了极端天气事件，增强了同一环境下的年际变化率，环境差异的增大增加了各环境间作物表现的差异，潜在地增加了基因―环境的相互作用。
因此，他们对小麦育种战略的选择提出了建议。
“首次明确了气候变化对全球小麦育种的影响，并定量分析了其影响的大小。 ”熊伟说，数据显示，这种影响不容忽视，需要引起育种学家和政府部门的高度重视。
目前，小麦新品种选育成功的平均时间约为4~7年，未来气候变化的进一步加剧，可能会延长新品种的培育时间，降低成功率。 “这就需要政府部门加大育种新技术、新方法研发投入，趋利避害，保证和提高现有育种效率。 ”熊伟说。
其次，品种序列变化概率增加，表明维持现有育种计划和育种目标，将降低目前最常见的高产选育成功率。
“气候变化需要在普遍性和地域性之间平衡未来育种目标，重新分类和布局育种平台试点。 ”熊伟建议。
但是，环境的迅速变化为抗逆育种的发展提供了机会。 他们认为，气候变化选育抗逆育种成功率和产量增长趋势可能高于高产育种。 李晨
资料来源： 《中国科学报》
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