通过杂种优势分析，在四个主要生长阶段培育出具有特定生长特性的洋葱杂交品种

《Discover Plants》：Development of stage-specific onion hybrids through heterosis analysis at four main growth stages

　　摘要
葱（Allium cepa）是一种在全球范围内具有重要价值的作物，因其药用和烹饪用途而受到重视。然而，其在生长早期对温度变化非常敏感，这限制了其产量和盈利能力。虽然杂交葱品种具有更高的生产力、抗病性和耐逆性，但价格昂贵且缺乏针对特定生长阶段的特性。为了解决这些问题，本研究旨在评估杂交葱在特定生长阶段的杂种优势。在三年的时间里，我们使用了三个品系和四个测试品种进行了实验，观察了移植后73天、83天、123天和138天四个阶段的生长情况，并分析了对产量和盈利能力至关重要的性状变异。结果表明，在所有生长阶段，亲本和杂交组合之间的相互作用都显示出显著的改进。具体来说，亲本之间的方差分析（ANOVA）、亲本与杂交组合之间的方差分析以及品系与测试品种之间的相互作用都非常显著。值得注意的是，MKS-8823GO×Super-Sarhad和MKS-8823GO×MKS-TPSWP杂交组合在第一个生长阶段表现出最佳的表现，尤其是在叶重和叶径等性状上；而28,540×VRIO-2杂交组合在第二个生长阶段在鳞茎重量和产量等性状上表现最佳。在第三和第四生长阶段，28,540×MKS-TPSWP杂交组合在鳞茎重量、产量和干物质含量等性状上表现最佳。这些发现为杂交葱种植中的成本和生产力挑战提供了有希望的解决方案，为农民提供了适合特定生长阶段的杂交品种，以实现高产和盈利的生产。

1 引言
葱是一种全球广泛种植的蔬菜，人均消费量约为10.8公斤。中国、印度和美国分别是全球最大的葱生产国，产量分别为2550万吨、2322万吨和3500万吨[7]。亚洲占全球葱产量的超过一半（62.9%），其次是美洲（13.6%）、欧洲（13.0%）和非洲（10.1%[7]）。在主要葱生产国中，巴基斯坦排名第六，产量为198.17万吨，种植面积为约14.72万公顷，人均消费量为9.97公斤。葱是一种多用途作物，消费者可以根据不同的烹饪需求选择其不同生长阶段的葱。通常，葱的生长可以分为四个阶段：第一阶段（移植后73天），此时较嫩的叶子因其辛辣的味道而用作新鲜调味品；第二阶段（移植后83天），此时叶子较为成熟但鳞茎仍较小且未完全发育，可作为青葱使用；第三阶段（移植后123天），此时鳞茎尚未完全成熟，适合腌制；第四阶段（移植后138天），鳞茎完全成熟，适用于烹饪。虽然有传统的开放授粉品种可供选择，但由于杂交品种具有均匀性、生长势强、耐逆性以及更好的园艺性状（如保质期、鳞茎形状和品质）而更受青睐[1, 10]。在杂交育种中，“杂种优势”可以提高植物的表现，表现为杂交后代比亲本更具活力[3, 6]。杂种优势的程度反映了亲本之间的遗传多样性，有助于选择最佳的亲本组合[2, 17]。F1杂交品种由于产量高、成熟均匀和储存质量好而在市场上取得成功[16]。然而，现有的杂交品种通常是为最终生长阶段开发的，尽管葱在多个生长阶段都有用途。迄今为止，尚未有关于葱在特定生长阶段杂种优势的研究。本研究旨在确定葱在所有重要生长阶段的杂种优势，以实现针对特定生长阶段的优化杂交品种的开发。

2 材料与方法
2.1 亲本材料的收集
从巴基斯坦伊斯兰堡的国家农业研究中心（NARC）获得了七种葱基因型的种子。2020年，这些种子在细胞盘中培育后移植到巴基斯坦拉瓦尔品第的PMAS-干旱农业大学（坐标：33.5651°N, 73.0169°E）的田间。所有田间实验和文化管理措施均按照标准程序进行；种植前施用了224:90:224公斤/公顷的氮磷钾肥料。每隔3-4天使用喷灌系统进行灌溉。移植时保持行距15-20厘米、株距10-15厘米。

2.2 杂交组合的培育
在选定的七个基因型中，有三个作为亲本品系（PHULKARA、MKS-8823GO和28,540），四个作为测试品种（VRIO-2、MKS-14278、MKS-TPSWP和Super Sarhad）。这些亲本和测试品种的选择基于我们之前的研究[18]。根据品系×测试品种的设计，将它们种植在杂交区以培育12个不同的杂交组合（表1）。通过手动去除每个品系五个伞形花序中的雄蕊（每个伞形花序选择10朵花）来进行去雄处理。使用骆驼毛刷进行授粉，并用蜡纸袋覆盖伞形花序[13]。

2.3 数据收集
手动测量了包括植株高度、叶长、叶片数量、茎部直径、鳞茎水平直径和鳞茎垂直直径在内的多种形态性状。植株高度和叶长使用尺子测量，叶片数量则通过计数得出。在所有四个生长阶段（移植后73天、83天、123天和138天），使用数字游标卡尺测量茎部直径和鳞茎直径。

2.4 统计分析
使用R-studio软件对记录的数据进行了方差分析（ANOVA）。方差分析进一步细分，将处理组的平方和分为亲本组、杂交组合组以及亲本与杂交组合组[8]。根据Hayman的方法计算了杂种优势[9]。通过品系×测试品种分析方法研究了基因效应和组合能力[12]。

3 结果
3.1 方差分析
在第一个和第二个生长阶段，最重要的因素是植株高度、叶长和叶片数量，其中PHULKARA亲本组的平均值最高（第一阶段：PH-39.6, LL-36, LNO-4.8；第二阶段：PH-46.6, LL-41.4, LNO-5.7）；其次是28,540×VRIO-2杂交组合（第一阶段：PH-37.8, LL-35.3；第二阶段：PH-47.8, LL-41.2）和28,540×MKS-14278杂交组合（第一阶段：LNO-5.1；第二阶段：LNO-6.1）（见补充表1）。在第三和第四生长阶段，最重要的性状是鳞茎水平直径和垂直直径，其中PHULKARA亲本组的平均值最高（第三阶段：BHD-47, BVD-33.9；第四阶段：BHD-51, BVD-38.2）；其次是28,540×MKS-TPSWP杂交组合（第三阶段：BHD-50.2, BVD-42.3；第四阶段：BHD-51, BVD-44.8）（见补充表2）。
在所有生长阶段，杂交组合、亲本以及亲本与杂交组合之间的相互作用对所有研究性状都表现出显著的方差效应。在杂交组合中，所有性状都存在显著差异，而品系和测试品种之间没有显著变化。相比之下，品系×测试品种之间的相互作用方差分析在所有性状上都非常显著（表2）。

3.2 亲本和杂交组合的遗传变异
遗传变异是指基因或环境对发育的相对贡献。在第一个生长阶段（第一阶段），亲本和杂交组合在所有性状上均表现出显性基因效应，尤其是植株高度（120.75, 60.37）、叶长（73.47, 36.73）和叶片数量（0.23, 0.11）。尽管也存在加性基因效应，但其效果为负或非常低（图1）。在第二生长阶段（第二阶段），亲本和杂交组合的显性方差类型超过了加性方差类型。亲本和杂交组合的显性方差类型在植株高度（145.84, 72.92）、叶长（82.48, 41.24）和叶片数量（1.30, 0.65）方面更为显著，高于加性基因效应（图1）。

3.3 品系、测试品种及其相互作用对总方差的比例贡献
遗传研究帮助我们了解了亲本对不同性状的贡献。在第一生长阶段，植株高度（65.07）、叶长（56.04）和茎部直径（86.76）等重要性状主要受品系×测试品种相互作用的影响。第二生长阶段也得到了类似的结果，所有重要性状（如植株高度（59.21）、叶长（58.46）和叶片数量（43.78）都受到品系×测试品种相互作用的影响（表3）。

3.4 杂种优势
还进行了杂种优势的估算，以确定优越的特定生长阶段组合。在所有生长阶段，许多杂交组合显示出正向的显著杂种优势，即中间亲本优势、更好亲本优势和标准品种优势：
- 在第一生长阶段，MKS-8823GO×Super-Sarhad杂交组合在植株高度上表现出最大的中间亲本优势和更好亲本优势（分别为42.91, 39.06）；而在标准品种优势方面，没有任何杂交组合显著（见图2A，补充表3）。
- 在叶长方面，MKS-8823GO×MKS-TPSWP杂交组合表现出显著的中间亲本优势和更好亲本优势（分别为49.89, 38.8）；而在标准品种优势方面则没有显著结果（见图2B，补充表4）。
- 第三生长阶段的重要性状是叶片数量，28,540×MKS-14278杂交组合表现出显著的中间亲本优势和更好亲本优势（分别为42.52, 36.16）；尽管标准品种优势不显著（见图3A，补充表5）。这一生长阶段其他不太重要的性状的结果见图3和图4以及补充表6-8。A. 所有杂交组合叶片数量的杂种优势分析。
B. 所有杂交组合鳞茎直径的杂种优势分析

图4：该图像的替代文本可能是使用人工智能生成的。
全尺寸图像：
不同杂交组合在四个不同生长阶段的杂种优势分析。
A. 所有杂交组合鳞茎水平直径的杂种优势分析。
B. 所有杂交组合鳞茎垂直直径的杂种优势分析。

在生长阶段2，所有研究性状均表现出显著的杂种优势。杂交组合MKS-8823GO × MKS-TPSWP（35.42, 23.88）在植株高度上表现出极显著的中间亲本优势和更优亲本优势。在标准品种的杂种优势方面，28,540 × VRIO-2（2.58）在植株高度上表现出正向但不显著的杂种优势（见图2A，补充表3）。在同一生长阶段，杂交组合MKS-8823GO × MKS-TPSWP在叶片长度上表现出极显著的中间亲本优势、更优亲本优势和标准品种优势（分别为44.2, 30.3, 4.1；见图2B，补充表4）。生长阶段2中另一个重要的性状是叶片数量，叶片数量对光合作用至关重要，并最终影响鳞茎中能量的储存。杂交组合28,540 × VRIO-2在叶片数量上表现出最大的中间亲本优势（51.04），而杂交组合28,540 × MKS-14278在叶片数量上表现出最大的更优亲本优势和标准品种优势（分别为41.0, 8.23；见图3A，补充表5）。同样，也研究了其他性状（如鳞茎直径、鳞茎水平直径和鳞茎垂直直径）的杂种优势，但这些性状不适合生长阶段2（见图3B和图4，补充表6-8）。

在生长阶段3，当叶片开始脱落、鳞茎开始成熟时，最重要的性状是鳞茎特异性性状，其中鳞茎直径是最关键的。杂交组合Phul. × VRIO-2在鳞茎直径上表现出极显著的中间亲本优势（22.32）。而在更优亲本优势方面，杂交组合28,540 × Super-Sarhad表现出极显著的结果（23.70）。杂交组合28,540 × MKS-TPSWP在鳞茎直径上表现出标准品种优势（见图3B，补充表6）。生长阶段3的另一个重要性状是鳞茎水平直径，因为它与鳞茎重量直接相关。杂交组合28,540 × MKS-TPSWP在鳞茎水平直径上表现出极显著的中间亲本优势、更优亲本优势和标准品种优势（分别为17.32, 15.61, 6.83；见图4A，补充表7）。对于生长阶段3的鳞茎垂直直径，杂交组合28,540 × MKS-TPSWP同样表现出极显著的中间亲本优势、更优亲本优势和标准品种优势（分别为46.18, 33.63, 24.66；见图4B，补充表8）。这一特定生长阶段（即生长阶段3）中不太重要的性状（如植株高度、叶片长度和叶片数量）也进行了研究，其结果见图2和图3以及补充表3-5。

生长阶段4是鳞茎完全成熟的最后阶段，这一阶段在移植后需要135-140天。在这个生长阶段，植株高度、叶片长度和叶片数量等性状的重要性较低，而鳞茎直径和鳞茎大小最为重要。鳞茎直径对成熟度有显著影响。杂交组合28,540 × MKS-TPSWP在鳞茎直径上表现出极显著的中间亲本优势、更优亲本优势和标准品种优势（分别为65.10, 53.42, 78.15；见图3B，补充表6）。在鳞茎水平直径方面，杂交组合28,540 × MKS-TPSWP在中间亲本优势和更优亲本优势上表现出极显著的结果（分别为5.81, 4.02；见图4A，补充表7）。在鳞茎垂直直径方面，杂交组合28,540 × MKS-TPSWP在中间亲本优势、更优亲本优势和标准品种优势上表现出极显著的结果（分别为39.41, 29.90, 17.35；见图4B，补充表8）。

**讨论**：
洋葱是全球非常重要的作物，被用于多种用途，如烹饪、制作腌制品和药用[4]。已经培育了许多洋葱品种（OPVs）和杂交品种。就产量而言，OPVs的产量低于杂交品种[5]。洋葱是一种用途广泛的作物，具有广泛且阶段特异性的应用。农民种植杂交品种以获得更高的产量，有些人会在早期收获作物以满足市场需求并赚取更多利润。然而，由于种子成本高以及收获后田间杂草生长，他们的利润有限。

当前关于阶段特异性杂种优势的研究为不同生长阶段提供了特定的杂交组合，使农民能够通过种植最适合他们需求的杂交品种来最大化利润，并通过在适当时间种植饲料作物来加倍利润（考虑到后续作物的生长时间）。在生长阶段1和2，洋葱地上部分的性状主要与植株高度、叶片长度和叶片数量有关。

对所有性状在生长阶段1、2、3和4的杂交组合、亲本、亲本与杂交组合之间的方差分析以及品系与测试者之间的相互作用分析显示了极显著的结果，而跨所有生长阶段的品系和测试者在所有性状上的ANOVA分析结果不显著。这些相互作用的显著结果表明品系和测试者之间存在显著差异，这将对未来的育种工作有所帮助。在第一阶段，平均植株高度出现在栽培品种Phulkara中；而在第二阶段，平均植株高度出现在杂交组合28,540 × VRIO-2中。在第三阶段，即鳞茎提前成熟的阶段，最大鳞茎直径出现在杂交组合28,540 × MKS-TPSWP中。在第四阶段（完全成熟阶段），杂交组合28,540 × MKS-TPSWP表现出最高的鳞茎和鳞茎直径。

遗传方差代表了基因对性状发育的贡献。一些基因表现出显性作用，而其他基因表现出加性作用。在发育的第一阶段，所有性状的基因作用以显性为主，这表明早期选择这些性状有利于育种。由于显性基因的作用，植物在早期就能表现出这些性状。其余阶段所有性状的基因作用也以显性为主。尽管也观察到了加性作用，但显性基因的作用占主导地位。由于加性作用涉及多个基因和环境因素，因此不建议早期选择。

在杂交品种开发中，品系与测试者之间的相互作用是一个关键因素[11]。在所有四个阶段，最大的性状贡献来自品系与测试者之间的相互作用，这对杂交品种的发育非常有利。如果品系或测试者对不同性状的贡献更大，它们作为单一品种的表现会优于作为杂交组合的表现。

杂种优势研究对所有作物类型都非常重要。蔬菜种子价格昂贵，因为种子产量较低，因此需要更多关注蔬菜（尤其是番茄、洋葱和辣椒）的杂交种子生产[15]。在发育的第一和第二阶段，关注的性状包括植株高度、叶片长度和叶片数量。杂交品种MKS-8823GO × Super-Sarhad在植株高度方面表现优异，MKS-8823GO × MKS-TPSWP在叶片长度方面表现优异，MKS-8823GO × MKS-14278在叶片数量方面表现优异；而在第二阶段，28,540 × VRIO-2表现出最多的叶片数量和极显著的中间亲本优势。在第三和第四阶段，重点关注鳞茎大小。在第三阶段，需要未成熟的鳞茎用于制作腌制品；而在第四阶段，则完全依赖成熟的鳞茎用于烹饪。在这些发育阶段，28,540 × MKS-TPSWP在鳞茎水平和垂直直径上表现出最大优势。这种杂交组合表明，杂交品种中结合了有利的显性等位基因，从而使F1后代表现良好[14]。观察到没有单一杂交组合在所有性状上都表现出正向杂种优势，但在不同发育阶段会观察到所需性状的杂种优势。

**结论**：
在亚洲国家，蔬菜作物的重要性仅次于小麦，尤其是在巴基斯坦。巴基斯坦是一个农业国家，但在各种蔬菜种子方面仍缺乏先进的生产技术。此外，巴基斯坦几乎无法获得杂交种子，而且现有的杂交种子由于生产方法的原因价格昂贵。杂交种子表现出杂种优势，可以显著提高作物产量。虽然也有洋葱杂交种子，但它们仅适用于成熟鳞茎阶段，尽管洋葱在四个不同的生长阶段都有使用。为解决这一问题，我们的研究成功确定了适合四个洋葱生长阶段的特定杂交组合。第一个生长阶段的特征是青葱的使用和强烈的辛辣气味。我们确定杂交组合“MKS-8823GO × Super-Sarhad”是最佳选择，因为它在生长阶段1具有最高的植株高度和叶片长度。杂交组合28,540 × VRIO-2在生长阶段2具有最高的植株高度、叶片长度和叶片数量。同样，生长阶段3是未成熟鳞茎阶段，用于制作腌制品；我们的结果表明，杂交组合“28,540 × MKS-TPSWP”非常适合未成熟鳞茎和高产量。生长阶段4是成熟鳞茎的重要阶段，这些鳞茎用于多种菜肴中的调味。我们的研究发现，杂交组合“28,540 × MKS-TPSWP”在成熟鳞茎和高产量方面表现最佳。

这些杂交组合在特定生长阶段表现最佳，使得可以种植阶段特异性的杂交种子，从而提高产量并最终增加农民收入。此外，青葱种植者可以在收获第一季作物后种植另一种短期作物。这种策略可以通过在一个生长季节内进行多季种植来提高盈利能力，同时满足市场需求。