1. Vidal M, Plomion C, Raffin A, Harvengt L, Bouffier L (2017) Forward selection in a maritime pine polycross progeny trial using pedigree reconstruction. Ann For Sci 74(1). doi:10.1007/s13595-016-0596-8.

關(guān)鍵信息：分子標(biāo)記用于海洋松（Pinus pinaster Ait.）多克隆試驗(yàn)中的父親恢復(fù)，促進(jìn)正向選擇。通過比較遺傳增益和多樣性來評(píng)價(jià)種子果園建立的不同育種策略。這項(xiàng)工作為海洋松樹育種開辟了新的視角。背景：多態(tài)性交配設(shè)計(jì)廣泛用于林木育種，以評(píng)價(jià)父母育種值的反向選擇。或者，多克隆后代試驗(yàn)可用于基于個(gè)體育種值和分子譜系分析選擇最佳樹。目的：本研究旨在測(cè)試這種海洋松樹育種計(jì)劃的前向選擇策略。方法：在海洋松樹多交叉試驗(yàn)中，具有更高的生長(zhǎng)育性值和莖平直度的后代首先被預(yù)先選擇，具有或沒有相關(guān)性約束。在父親恢復(fù)之后，預(yù)選的樹根據(jù)它們的育種值進(jìn)行排名，從恢復(fù)的完全譜系估計(jì)。最后，選擇最佳候選人有三個(gè)不同的策略（前進(jìn)，后退，混合）和三個(gè)級(jí)別的coancestry約束建立一個(gè)虛擬的克隆種子園。結(jié)果：對(duì)于大多數(shù)預(yù)選樹木，成功恢復(fù)了完整的系譜。在兩種預(yù)選策略之間的預(yù)期遺傳增益沒有顯著差異，這兩種預(yù)選策略對(duì)于相關(guān)性約束是不同的。前向選擇的遺傳增益略高于經(jīng)典后向選擇。結(jié)論：這項(xiàng)開創(chuàng)性的研究為在法國(guó)海洋松樹育種計(jì)劃中使用正向選擇開辟了新的視角。

1簡(jiǎn)介

父母排名的子代測(cè)試廣泛用于林木育種（Zobel和Talbert 1984）。在法國(guó)馬尾松（Pinus pinaster Ait。）育種計(jì)劃中，在過去20年中已經(jīng)建立了多位點(diǎn)多克隆后代試驗(yàn)，用于評(píng)估育種值，并且將雌性親本排序?yàn)榉聪蜻x擇。父母對(duì)其后代的表現(xiàn)的排名對(duì)于具有低遺傳力的性狀特別重要（Falconer和Mackay 1996），例如對(duì)林木感興趣的許多性狀（Burdon和Kumar 2004; Cornelius 1994; Paques 2013）。在這樣的多克隆試驗(yàn)中，表型化以評(píng)價(jià)親本育種值的后代不用于在育種群體中產(chǎn)生下一代（其實(shí)際上選自雙親雜交的后代）或包括在產(chǎn)量群體（商業(yè)種子園）中。

缺乏關(guān)于男性父母的信息大大限制了對(duì)先進(jìn)世代的選擇。然而，分子遺傳學(xué)的進(jìn)展，如高度信息和成本效益的DNA標(biāo)記的發(fā)展，已經(jīng)使得新的方法可能在樹種繁殖。一種這樣的新方法，譜系重建，使得重建個(gè)體之間的系譜關(guān)系成為可能，為新的育種策略的發(fā)展提供機(jī)會(huì)。例如，可以通過開放授粉群體中的譜系恢復(fù)來替代受控雜交，用于估計(jì)遺傳參數(shù)和在稱為無繁殖育種的策略中預(yù)測(cè)育種值（El-Kassaby等人2011; El -Kassaby和Lstiburek 2009; Lstiburek等人2011）。這種方法可用于啟動(dòng)樹木改良計(jì)劃，而不需要初始的繁殖和測(cè)試周期（Lstiburek等人，2015）。另一種方法，使用親本分析（PMX / WPA）進(jìn)行聚合育種由Lambeth等人開發(fā)（2001），并結(jié)合控制交叉和譜系恢復(fù)。這些作者提出使用分子標(biāo)記來鑒定潛在選擇候選者的親本，用于在育種程序中評(píng)估育種值和選擇下一代的后代。根據(jù)所基因分型的后代集合，呈現(xiàn)三種不同的情景：（i）部分人群父親分析（僅針對(duì)使用女性一般組合能力和個(gè)體表現(xiàn)作為選擇標(biāo)準(zhǔn)的最佳后代的譜系分析）; （ii）全群體親子分析（所有后代的譜系分析）;和（iii）完全人口父母分析（通過分子標(biāo)記分析回收的女性和父母身份的身份，因?yàn)樗麄兊纳矸輿]有記錄在這種情況下以減少后勤成本）。 Lambeth et al。 （2001）聲稱，PMX / WPA是全同胞育種和檢測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)替代品。他們的方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于給定數(shù)量的父母，Polymix雜交比全同基交叉更具成本效益。對(duì)于較少的雜交，它們導(dǎo)致更大數(shù)目的重組事件，并且與其他方法相比，更可靠地估計(jì)育種值，因?yàn)槊總€(gè)個(gè)體與更大數(shù)目的親本雜交。如果用于多混雜雜交的花粉來自具有高育種值的樹，則來自PMX / WPA的正向選擇的遺傳獲得應(yīng)當(dāng)更大。因此，應(yīng)該可以比使用經(jīng)典反向選擇獲得的更快地部署該增益。此外，在基因分型階段可以消除錯(cuò)誤標(biāo)記的克隆，潛在地提高選擇效率。我們調(diào)查了使用前向選擇策略在海洋松樹多交叉試驗(yàn)與子代的親本分析相關(guān)的可行性。應(yīng)該注意的是，這種多交叉試驗(yàn)最初并未設(shè)計(jì)為進(jìn)行前向選擇，而是后向選擇。正向選擇可具有兩個(gè)目標(biāo)：募集下一代育種群體的最佳基因型和生產(chǎn)群體（例如克隆種子園（CSO））的形成。本研究的重點(diǎn)是選擇CSO的構(gòu)成。這里研究的前向選擇策略的連續(xù)階段如圖1所示。在多交叉試驗(yàn)中使用兩種不同的預(yù)選擇選項(xiàng)（PS1）和（PS2）對(duì)關(guān)聯(lián)性的約束來預(yù)選候選樹。然后對(duì)預(yù)選的樹進(jìn)行單核苷酸多態(tài)性（SNP）標(biāo)記的基因分型。一旦他們的完整家系恢復(fù)，最佳的個(gè)人被選擇為CSO，使用三個(gè)級(jí)別的coancestry約束（無，狀態(tài)數(shù)Ns = 10，Ns = 20）。然后，使用相同的三個(gè)級(jí)別的coancestry約束，在可能的遺傳增益方面，將向前選擇策略與向后和混合（即，兩者的組合）選擇策略進(jìn)行比較。最后，在法國(guó)海洋松樹育種計(jì)劃的框架中考慮了優(yōu)化用于建立CSO的預(yù)選和最終選擇選項(xiàng)的方法。

4。討論

本研究的主要目的是評(píng)估與現(xiàn)代海洋松樹多體系后代試驗(yàn)中子代的親本分析相關(guān)的前向選擇的可行性，以加速育種周期。已經(jīng)進(jìn)行了一些理論研究，但是，據(jù)我們所知，這是多交聯(lián)試驗(yàn)中的前向選擇的實(shí)際研究的第一個(gè)實(shí)例。在生長(zhǎng)性狀和莖平直度的遺傳增益的基礎(chǔ)上，研究并比較了生產(chǎn)種群的正向和經(jīng)典反向選擇的不同選擇（建立虛擬CSO）。下面討論前向選擇的各個(gè)階段，以及關(guān)于PMX / WPA策略的一些考慮。

4.1多交叉試驗(yàn)中的預(yù)選選項(xiàng)

在子代試驗(yàn)中所有個(gè)體的基因分型目前太昂貴，因此預(yù)選樹是在父親恢復(fù)之前的必要步驟。該步驟必須為最終選擇提供候選樹，具有兩個(gè)目標(biāo)：最大化基因獲取，同時(shí)限制候選者之間的相關(guān)性，以確保CSO群體包含足夠的多樣性。花粉供體的身份是未知的。
因此，該方法的一個(gè)限制是，由于不準(zhǔn)確的EBV估計(jì)（用部分譜系模型獲得），該組預(yù)選候選者可能不包括來自多克隆試驗(yàn)的一些最佳個(gè)體。然而，我們表明EBV之間的估計(jì)與部分和全家譜模型高度相關(guān)。因此，如果對(duì)所有的樹確定了系譜，則基于它們的Index_FP的G2樹的排名將相對(duì)類似于利用Index_PP獲得的排序。候選樹的預(yù)選可能影響CSO的最終遺傳增益和多樣性。因此，我們考慮了兩個(gè)對(duì)比的預(yù)選選項(xiàng)，一個(gè)具有（PS2），另一個(gè)沒有（PS1）對(duì)預(yù)選候選者之間的相關(guān)性的限制。在這項(xiàng)研究中，PS1或PS2的選擇對(duì)最終選擇幾乎沒有影響，因?yàn)檫@些選項(xiàng)在等同Ns值下產(chǎn)生相似的遺傳增益，主要是因?yàn)轭A(yù)選個(gè)體的數(shù)量高，并且EBV中的偏差用部分--pedigreemodel是小的。在PS1和PS2中采樣了相同數(shù)量的個(gè)體，但是如預(yù)期的那樣，PS1的平均家系（根據(jù)完全的譜系信息計(jì)算）比PS2的高。因此，對(duì)于CSO中相等的遺傳增益和多樣性，PS1導(dǎo)致選擇更大數(shù)目的不同基因型，每個(gè)克隆所需的分株數(shù)比PS2要少。因此，PS1更有邏輯效率，因?yàn)槊靠脴湫枰俚慕铀搿Ｒ虼耍琍S1似乎是我們育種計(jì)劃最適當(dāng)?shù)念A(yù)選方法，并且似乎沒有必要對(duì)預(yù)選個(gè)體之間的相關(guān)性應(yīng)用約束，只要預(yù)選足夠的樹。

4.2商業(yè)種子園的遺傳獲得和多樣性

目前大部分用于栽培的種植材料來自種子園。對(duì)于海濱松樹，用于Gascat再造林的90％以上的幼苗是來自種子園的改良幼苗（GIS PMF 2014）。種子果園由選定的優(yōu)良個(gè)體組成，其建立的主要目的是通過最大化遺傳獲得產(chǎn)生遺傳改良的林木種子（Funda和El-Kassaby 2012）。因此，樹種的挑戰(zhàn)是創(chuàng)造種子果園，其中育種進(jìn)程是最大的（最大性能），但具有足夠的遺傳多樣性，以確保最終森林中的合理程度的遺傳異質(zhì)性（Hosius等人2000; Lindgren et al.2009; Stoehr et al.2004）。遺傳多樣性在森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性中起著重要作用，對(duì)于人們適應(yīng)新的環(huán)境因素如氣候變化和疾病至關(guān)重要（Hansen 2008; Johnson和Lipow 2002; Muller-Starck 1995）。在CSO中應(yīng)當(dāng)存在多少遺傳多樣性取決于旋轉(zhuǎn)的長(zhǎng)度和源自CSO的種植材料在其壽命期間需要適應(yīng)的環(huán)境變化（Johnson和Lipow 2002）。約翰遜和Lipow表明，種子果園與25種不相關(guān)的選擇包含約92％的自然種群的遺傳變異，并且最低限度的20種不相關(guān)的選擇應(yīng)提供與收集的種子相同的風(fēng)險(xiǎn)水平而且，對(duì)于選擇用于CSO的個(gè)體之間的相關(guān)性的限制可以限制繁殖抑制，對(duì)種植材料的性能具有潛在影響（Durel等人1996; Olsson等人2001; Stoehr等人2008）。然而，在第三代育種中，選擇之間的多樣性和相關(guān)性（在這里表示為群體共同體）的管理變得相對(duì)復(fù)雜。 OPSEL軟件提出了一個(gè)最優(yōu)選擇，不能完全避免親屬關(guān)系，而是找到一組選擇，在相關(guān)性約束下最大化增益（Mullin 2014）。在這項(xiàng)研究中，我們使用狀態(tài)數(shù)Ns來量化CSO中的財(cái)政。 Ns是一個(gè)有用的參數(shù)，用于評(píng)估增益和多樣性之間的折衷（Lindgren等人1997; Lindgren和Kang 1997; Lindgren和Mullin 1998）。對(duì)于人口普查大小為600（CSO中的分支總數(shù)），最小Ns設(shè)置為10或20。在法國(guó)海洋松樹育種計(jì)劃中，基于正向選擇的CSO的建立可涉及來自幾個(gè)多克隆后代試驗(yàn)的最佳G2樹。我們的標(biāo)準(zhǔn)CSO面積至少為10公頃，因此需要約2400棵嫁接樹。目前可用四個(gè)polycross試驗(yàn)進(jìn)行正向選擇，因此在這里考慮了在試驗(yàn)中提供600個(gè)分株的最佳基因型的選擇。由于在不同多交聯(lián)試驗(yàn)中使用的親本之間的相關(guān)性，我們?cè)贜s = 10時(shí)設(shè)定研究試驗(yàn)的多樣性以確保獲得所需的最小差異（如上所述，并且根據(jù)Johnson和Lipow 2002）在最后完成CSO。每個(gè)基因型的分株數(shù)量在正向選擇方法中是有限的，因?yàn)槊總€(gè)選擇的克隆由單個(gè)樹（給出少量接穗）表示。相比之下，在向后選擇中，所選擇的親本樹經(jīng)常在克隆檔案中被嫁接幾個(gè)重復(fù)。有效的營(yíng)養(yǎng)繁殖方法（如微繁殖，體細(xì)胞胚胎發(fā)生或通過組織培養(yǎng)的微移植）的發(fā)展將增加可??用于最佳基因型的分株數(shù)目，并且提供用于擴(kuò)大遺傳改良的種植材料的生產(chǎn)的有力工具（Bonga 2015; Lelu-Walter等人2013）。然而，這種方法尚未在這個(gè)物種中使用（因此在我們的選擇中沒有考慮）。無論使用哪種預(yù)選方案，正向選擇導(dǎo)致比反向選擇略高的遺傳增益。應(yīng)當(dāng)記住，所研究的多相交叉試驗(yàn)不是考慮到前向選擇而設(shè)計(jì)的。特別地，花粉混合物主要是隨機(jī)組成，而不是基于高EBV。因此，在本試驗(yàn)中通過正向選擇獲得的預(yù)期遺傳增益遠(yuǎn)不是最佳的。最后，在假定隨機(jī)交配，等同繁殖成功，以及在CSO中沒有花粉污染的假設(shè)下，估計(jì)生產(chǎn)群體的遺傳獲得和多樣性。然而，許多因素可以影響果園種子的遺傳質(zhì)量。遺傳獲得和多樣性取決于CSO中生殖成功的變化，繁殖物理學(xué)，花粉質(zhì)量和污染，自體受精率，種子發(fā)芽和其他因素的同步性。許多研究已經(jīng)表明，在期望和現(xiàn)實(shí)之間可能存在相當(dāng)大的差距（Askew 1988; Burczyk等人1997; Edwards和ElKassaby 1996; Funda等人2009; Gomory等人2003; Hansen 2008; Kang和Lindgren 1998; Machanska等人2013; Matziris 1994; Na等人2015），使得難以預(yù)測(cè)遺傳質(zhì)量。此外，在遺傳增益和多樣性的估計(jì)中沒有考慮到CSO的自交率和近親繁殖程度。然而，絕對(duì)值在這里不是最重要的目的是比較不同的育種策略。

4.3實(shí)施aPMX / WPAstrategy？

這項(xiàng)研究表明，與子代的分子譜系分析相關(guān)的前向選擇在現(xiàn)實(shí)生活條件下是可行的。在這里分析的多交叉試驗(yàn)中，生產(chǎn)群體中的預(yù)期遺傳增益不超過經(jīng)典反向選擇獲得的遺傳增益，主要是因?yàn)樵摱嘟徊嬖囼?yàn)不是為這種選擇而設(shè)計(jì)的。實(shí)施PMX / WPA策略，如Lambeth等人提出的（2001）是一個(gè)更廣泛的問題，因?yàn)樽詈玫暮蟠贿x擇用于下一代育種，而不僅僅是為了CSO。該策略具有明顯的優(yōu)勢(shì)，包括僅需要一輪雜交（多交聯(lián)），用于同時(shí)測(cè)試和正向選擇的招聘。經(jīng)典方法所需的許多昂貴的全同基因交叉被少數(shù)多態(tài)雜交（具有一個(gè)或幾個(gè)不同的多重混合）替換，隨后是基因分型和親代恢復(fù)，以鑒定用于下一代育種的最佳后代。因此，這種方法比傳統(tǒng)方法更容易實(shí)施，并且由于同時(shí)進(jìn)行育種和測(cè)試，縮短了連續(xù)種子園的世代之間的間隔（圖5）。在我們當(dāng)前的育種周期中，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)限制（每年可能的雜交數(shù)目），并且因?yàn)槎嗫寺≡囼?yàn)的結(jié)果用于選擇全同胞交叉的親本，所以在多雜交雜交之間存在時(shí)間滯后（對(duì)于親本EBV估計(jì)）和全同胞交叉（用于選擇下一代繁殖）。法國(guó)海洋松樹育種計(jì)劃的時(shí)間延遲估計(jì)約為12年。使用PMX / WPA策略將消除這種時(shí)間滯后（圖5），加速繁殖周期。改進(jìn)的種植材料可以更快地更新，并更好地適應(yīng)不斷變化的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境背景。雜交也使用較小數(shù)目的雜交獲得的全同胞家族的數(shù)目比用于全同胞設(shè)計(jì)的數(shù)目最大。然而，父母的組合不是精確選擇的。因此，將它們的基因轉(zhuǎn)移到下一個(gè)育種世代的親本在一定程度上在選擇時(shí)而不是在雜交時(shí)確定。然而，與沒有育種方法的育種（來自開放授粉的譜系鑒定，而不是對(duì)照雜交）相反，潛在的父親至少部分地通過選擇多聚組分來選擇。
成功使用polymix育種和測(cè)試系統(tǒng)需要精確的譜系重建，男性生殖成功的小差異（以防止在最佳父親比其他人更多地對(duì)后代貢獻(xiàn)的情況下在預(yù)先選擇的子集中管理共同體的困難）和低花粉污染率（因?yàn)橹挥芯哂腥V的樹可以被選擇）.Vidal et al。 （2015）最近表明，這些要求在這里研究的海洋松樹polycross后代試驗(yàn)滿足。需要額外的研究來優(yōu)化多聚物試驗(yàn)設(shè)計(jì)（例如，多聚物的組成和數(shù)量）。在多聚物混合物中需要相對(duì)大量的具有低水平相關(guān)性和高EBV的花粉供體，以確保在多聚物混合物中存在足夠的遺傳多樣性下一代繁殖人口。

5結(jié)論

這項(xiàng)研究表明，用系譜重建的正向選擇是可行的松樹。對(duì)于大多數(shù)預(yù)選的（因而基因分型的）子代，完整的系譜被恢復(fù)，這是選擇生產(chǎn)群體的先決條件。在分析的多克隆后代試驗(yàn)中，正向選擇產(chǎn)生比經(jīng)典后向選擇略大的遺傳增益（盡管沒有優(yōu)化多聚組合物）。在兩個(gè)對(duì)比的預(yù)選擇方案（有關(guān)和無關(guān)聯(lián)的約束）之間沒有觀察到生產(chǎn)群體的預(yù)期遺傳增益的主要差異。實(shí)施PMX / WPA策略，加快下一個(gè)繁殖群體的生產(chǎn)并減少工作量是可能的。然而，需要模擬研究來優(yōu)化這種育種策略的一般設(shè)計(jì)，并且成本/效益分析應(yīng)當(dāng)以評(píng)估其經(jīng)濟(jì)效率，給定我們的海上松樹育種計(jì)劃的具體成本和時(shí)間組成部分。正向選擇也為基因組選擇提供了有利的背景。事實(shí)上，添加的遺傳關(guān)系矩陣（源自譜系）可以用基因組關(guān)系矩陣代替，以改進(jìn)EBV的估計(jì)并確保在育種程序中維持更高水平的遺傳多樣性。