《Scientific Reports》：Multiple AMMI models investigation to decipher the genotype by environment (G×E) interaction in sugarcane interspecific hybrids for yield and quality traits
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本研究针对甘蔗杂交种在复杂环境条件下产量与品质性状不稳定的问题，探讨了基因型与环境(G×E)互作效应。研究人员通过两年田间试验，采用多种AMMI模型分析发现，R-AMMI-LM模型能更优地解析互作效应，并鉴定出多个在蔗茎产量(如Co 15017、Co 14012)和商品蔗糖产量(如Co 20010、Co 86032)方面兼具高产与稳定性的优良基因型，为甘蔗新品种选育提供了重要参考。
甘蔗是全球最重要的糖料和能源作物之一，其产量和品质直接关系到食糖安全和生物能源产业的发展。然而，甘蔗的生长表现并非一成不变，同一个品种在不同年份、不同地块的产量和含糖量可能大相径庭。这背后的“幕后推手”便是基因型与环境之间的复杂互动，科学上称之为“基因型与环境互作”(Genotype by Environment interaction, G×E)。这种互作效应使得优良品种的选育工作变得异常棘手：一个在试验田里表现优异的品种，推广到大田后可能“水土不服”，导致其优良性状无法稳定表达。因此，如何精准地评估和解析G×E互作，从中筛选出在各种环境中都能“稳产高产”的“全能选手”，成为甘蔗育种家和种植者面临的核心挑战。针对这一难题，研究人员开展了一项深入的研究，旨在利用先进的统计模型，揭开甘蔗杂交种产量与品质性状在多变环境下的稳定之谜，相关成果发表在《Scientific Reports》期刊上。
为了回答上述问题，研究团队主要采用了基于田间试验的多模型统计分析方法。他们在Ponni Sugars, Erode地点，以19个甘蔗基因型（包括16个测试品系和3个对照品种）为材料，在2023-24和2024-25两个年度，分别对第一季新植蔗、第二季宿根蔗和第三季宿根蔗进行了田间试验，试验设计为三次重复的随机区组设计。获得产量和品质数据后，研究的关键技术方法集中于基因型与环境互作分析：1. 联合方差分析(Combined ANOVA)：用于检验基因型、环境及其互作效应的显著性。2. 加性主效应和乘性互作模型(AMMI模型)：这是分析G×E互作的核心模型家族。研究特别比较了多种AMMI模型（如AMMI-LM, R-AMMI-LM等），通过残差和均方根误差(RMSE)等指标评估模型拟合优度。3. 双标图(Biplot)分析：将基因型和环境同时可视化在散点图上，直观展示互作模式并识别稳定基因型。4. 稳定性参数计算：包括MASI、MASV、SIPC和SSI等指标，从不同角度量化基因型在不同环境中的表现稳定性。
研究结果
1. 联合方差分析与性状相关性
联合方差分析表明，基因型和环境效应对所有研究的性状均有显著影响。更重要的是，基因型与环境(G×E)互作对单茎重(SCW)、蔗茎产量(CY)、有效茎数(NMC)、茎长(CL)和商品蔗糖产量(CCSY)等关键性状产生了显著影响。这意味着不同甘蔗品种在不同环境中的表现排名会发生变化。相关性分析进一步揭示，蔗茎产量(CY)与有效茎数(NMC)(r= 0.49**)、商品蔗糖产量(CCSY)(r= 0.89**)以及茎长(CL)(r= 0.31*)均呈显著正相关。
2. 多模型AMMI分析比较
在比较的不同AMMI模型中，R-AMMI-LM模型展现了最佳的数据分析能力。该模型具有更低的残差和均方根误差(RMSE)，并且对所研究性状的方差解释率更高，表明它能够更有效地捕捉和分解G×E互作中的复杂信息。
3. 稳定基因型的鉴定
通过双标图分析和多种稳定性参数的综合评估，研究鉴定出了一系列在特定性状上表现稳定且高产的基因型。
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蔗茎产量(CY)稳定性：基因型Co 15002, Co 19002, Co 15017和Co 20010在双标图中显示为高稳产品种。稳定性参数(MASI, MASV, SIPC)进一步确认Co 15020, Co 19002, Co 15017和Co 20010具有最高的蔗茎产量稳定性。综合稳定性和产量表现，稳定性选择指数(SSI)最终鉴定出Co 15017, Co 14012和Co 15020为高产且稳产的蔗茎产量基因型。
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商品蔗糖产量(CCSY)稳定性：对于商品蔗糖产量，Co 20010, Co 20005和Co 21004在双标图中被识别为稳定基因型。稳定性参数分析指出Co 20010, Co 20005, Co 21004和Co 15020是稳定的。SSI分析则推荐Co 20010, Co 86032和Co 15017为高商品蔗糖产量且稳定的基因型。
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早熟性鉴定：在种植后300天，基因型Co 11015, Co 15020, Co 20009, Co 20011和Co 21007在蔗糖百分比和CCS百分比(商品蔗糖百分比)上表现出高平均值和高稳定性，因此被识别为一个早熟基因型组。
4. 综合性状表现与标准对照比较
多重分析表明，品系Co 15017和Co 14012在蔗茎产量和商品蔗糖产量上均表现出高度稳定性和良好表现。研究发现，这两个品系在为期12个月的栽培中，其表现与当地标准对照品种Co 86032相当，显示出巨大的推广应用潜力。
研究结论与讨论
本研究通过系统性的田间试验和先进的多元统计模型，成功解析了甘蔗杂交种关键农艺性状的基因型与环境互作。研究得出以下核心结论：首先，G×E互作对甘蔗产量和品质性状具有显著影响，强调了在品种选育中必须进行多环境测试。其次，在众多分析模型中，R-AMMI-LM模型被证明是解析此类互作数据的更优工具，为未来类似研究提供了方法学参考。最重要的是，研究成功筛选出多个兼具高产潜力和广泛环境适应性的优良基因型，例如Co 15017和Co 14012在蔗茎和蔗糖产量上均表现突出且稳定，Co 20010则是商品蔗糖产量的稳定高产典范，而Co 15020等基因型则被鉴定为早熟材料。
这项研究的意义重大且深远。在理论层面，它深化了对甘蔗复杂数量性状遗传调控与环境响应机制的理解，验证了AMMI模型家族在多年生作物G×E分析中的适用性与优越性。在应用层面，这些被鉴定的稳定高产基因型为甘蔗育种项目提供了宝贵的亲本材料和直接可供选择的优良品种，能够有效降低因环境波动带来的生产风险，提升蔗糖产业的整体效益和稳定性。研究结果为推动甘蔗品种的精准选育和区域化布局提供了坚实的科学依据和数据支持，对保障全球食糖安全与促进生物能源发展具有积极贡献。
