有机与常规农业系统中小麦基因型的表型稳定性及适应性研究——基于AMMI和GGE双标图的五年分析

《Frontiers in Plant Science》：Phenotypic stability and adaptability of wheat genotypes under organic and conventional farming systems over five years using AMMI and GGE biplot analysis

　　本研究通过AMMI模型和GGE双标图分析，系统评估了七个小麦基因型在五年间有机与常规施肥条件下的稳定性与适应性。结果表明，基因型IC8在有机系统中表现最优（均产1.868 t ha-1，ASV=0.474），兼具高产与广适性；而Sids_12和LOCAL稳定性较差。GGE双标图解析了75.46%的基因型-环境互作变异，为可持续小麦育种提供了理论与实践依据。

　　

引言

有机农业因其可持续性和环境效益日益受到关注，但其产量通常低于常规农业系统。小麦作为全球主要粮食作物，其高产稳产对保障粮食安全至关重要。基因型与环境互作（G×E）研究是培育适应性广、稳定性强品种的关键。近年来，加性主效应和乘性互作模型（AMMI）及基因型与基因型-环境互作双标图（GGE biplot）等统计方法为解析复杂G×E互作提供了有效工具。本研究通过五年田间试验，旨在评估小麦基因型在有机与常规施肥条件下的稳定性与适应性，为可持续小麦育种提供依据。

材料与方法

试验于2019至2023年在沙特阿拉伯布赖代农业研究站进行，土壤为沙质低盐碱地。采用随机区组设计，比较7个小麦基因型在有机（牛粪施肥）与无机（尿素、DAP等）条件下的表现。AMMI模型用于分析基因型主效应、环境主效应及G×E互作，通过AMMI稳定性值（ASV）评估基因型稳定性；GGE双标图则直观展示基因型在不同环境中的适应性。

结果

基因型稳定性基于AMMI分析

方差分析显示，基因型、环境及其互作均对产量有显著影响。IPCA1和IPCA2分别解释了大部分互作变异，表明基因型响应存在环境特异性。基因型IC8产量最高（1.868 t ha^-1），且ASV值最低（0.474），稳定性最佳；而Sids_12（ASV=2.017）和LOCAL稳定性较差。

基因型均值与互作得分

IC8和IC17在多数环境中表现优异，且IPCA得分表明其具有广适性；LOCAL产量最低（1.304 t ha^-1），且对环境变化敏感。

AMMI稳定性值

ASV排名显示，IC8、P3和IC17为高稳产品种，而YR和Sids_12稳定性差，仅适于特定环境。

不同环境下的优势基因型

高产出环境（如2023-N）中，IC8、IC17和P5频繁入选最佳基因型；低产出环境（如2022-O）中，基因型表现差异显著，进一步印证G×E互作的重要性。

基于GGE双标图的基因型稳定性

GGE双标图将环境划分为常规施肥主导和有机施肥主导两大类群。IC8在有机环境中表现突出，而P5和IC17更适应常规条件。双标图解释了75.46%的总变异，直观揭示了基因型与环境的关系。

均值与稳定性关系

通过平均环境坐标轴（AEC）分析，IC8、LOCAL和P3靠近原点，稳定性高；YR等基因型则表现环境特异性。有机环境（如2020-O）对基因型选择压力较大，凸显环境异质性的影响。

讨论

本研究证实G×E互作对小麦产量稳定性具有显著影响。AMMI和GGE分析共同表明，IC8在有机与常规系统中均能保持高产稳产，是其养分利用效率和抗逆性的体现。稳定性参数（如ASV）与产量结合，为基因型选择提供了双指标依据。高变异基因型（如Sids_12）可能适于特定管理策略，而高稳产品种（如IC8、IC17）更符合可持续农业需求。研究结果与前期关于干旱胁迫和低投入系统中基因型适应性的报道一致，强调了稳定性育种在应对气候变化中的价值。

结论

AMMI与GGE双标图的整合应用有效揭示了小麦基因型在有机与常规农业系统中的适应性差异。IC8以其高产稳产特性成为广适性优良候选种，IC17亦表现平衡。未来研究可结合农艺性状与分子机制，进一步优化可持续小麦育种策略。