Nat. Commun.丨气候变化可能超过目前北美小麦育种产量的提高速度

论文内容

研究背景：

北美的小麦生产是区域粮食生产和全球粮食供应链的重要组成部分。然而，在过去的几十年里，气温上升已被认为对北美小麦生产构成严重威胁。在历史气候趋势下确定当前育种进展并对其进行基准测试不仅可以证实模型研究，还可以指导未来的育种计划，以更好地减轻气候变化压力。迄今为止，长期实地观测的缺乏阻碍了我们对遗传进步如何影响小麦产量的气候敏感性的理解。

研究内容：

本研究基于冬小麦北部区域苗圃（NRPN）和南部区域苗圃（SRPN）以及硬红春麦统一区域苗圃（HRSWURN）的年度区域报告，有85,770个数据点（1960年至2018年期间，在北美大平原的92个地点（图 1）。在该数据集中，每个季节的同一个试验中将一个普通检查品种和一组年度高级育种品系一起种植。Kharkof 品种和Marquis 品种分别用作长期冬小麦对照和长期春小麦对照。在整个研究期间，两个对照品种在每个地点均种植，这可以看作是在没有品种更换的情况下的产量表现。另一方面，每年的高级育种系与前一年不同，这反映了研究期间小麦育种本身的持续性。因此，产量敏感性的差异（高级系与对照品种）可以定义为气候变化下历史品种开发的有效性，提供了实际小麦育种工作的足迹。

使用固定效应回归模型分析面板数据，重点研究高产基因型（HYG，即每年先进育种系的97.5%百分位产量）、中产基因型（MYG，即50%百分位）、低产基因型的时间序列（LYG，即2.5%百分位数）和对照品种（CK，即冬小麦的Kharkof产量和春小麦的Marquis产量）。本研究的数据集和方法不能用于量化新农业技术带来的CO2施肥效应和育种速度的潜在变化。

结果显示：（1）对冬小麦和春小麦的现实育种进行基准测试。对于冬小麦（图 2A），LYG、MYG 和 HYG 每升高 1 °C，产量就会减少 3.4~3.6%，比对照品种的敏感性低（每升高 1 °C，产量-5.5%）。春小麦的结果与冬小麦不同，高级春小麦育种系对变暖的敏感度比对照品种稍高（图 2B），与对照品种相比，MYG 每变暖 1 °C，产量就会下降 7.5%（95% 置信区间的 -10.0%~ -5.55%）。CK 每升温 1 °C，产量下降 7.1%。随着气温升高1°C，品种替代并不能为提高春小麦的气候适应能力提供优势。

（2）随着未来变暖，育种产量下降。对于冬小麦，到 2030 年代和 2050 年代，MYG 的单产增幅平均分别保持在 46% 左右（LYG：3.4%；HYG：84.0%）和 50%（LYG：4.4%；HYG：86.1%）， SSP 之间存在中等变异性。到 2090 年代，收益随着 SSP 变暖而增加，SSP1-2.6 的平均收益为 47.2%（LYG：3.9%；HYG：85.5%），SSP5-8.5 的收益为 64.8%（LYG：7.3%；HYG：115.4%）。对于春小麦来说，2030年代和2050年代没有实质性差异，平均涨幅为44.9%。然而，到 2090 年代，SSP1-2.6 中 MYG 的平均产量增幅预计将降至 43.8%（LYG：9.9%；HYG：76.0%），而 SSP1-2.6 中则将降至 32.6%（LYG：9.6%；HYG：67.4%）。

研究结论：

小麦品种对未来气候的适应很重要，但目前仍缺乏全面的了解。本研究使用 1960-2018 年北美小麦育种苗圃的数据集评估当前和未来气候下的遗传进展。 结果显示，冬小麦高级育种品系每升温 1 °C，产量就会下降 3.6%，而对照品种的产量则下降 -5.5%，这表明其具有优越的气候适应能力。然而，春小麦高级育种系显示，每升温1℃，产量减少7.5%，这比对照品种7.1%的产量减少更为敏感，表明春小麦的气候适应能力并未得到改善，甚至可能下降。 在SSP情景的未来气候下，即使采用高级育种品系，冬小麦和春小麦的产量也呈现下降趋势，这表明未来的气候变暖可能超过当前育种进展带来的产量增长，当前小麦育种策略的适应进展具有挑战性。

转自：“农科学术圈”微信公众号

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