Genotype × environment interaction, adaptability, and stability of soybean genotypes in a new production region of Brazil

기술 요약: 브라질 신규 생산 지역 내 대두 유전자형의 유전자형 × 환경 상호작용, 적응성 및 안정성

문제 제기
브라질의 대두(Glycine max) 생산은 기계화 영농에 적합한 300,000 헥타르 이상의 면적을 보유한 리오데자네이로주 북부 및 북서부 지역과 같은 새로운 농업 프런티어로 확장되고 있다. 그러나 대두 유전자형의 성과는 에다포클라이매틱(edaphoclimatic, 토양 및 기후) 조건에 의해 크게 영향을 받으며, 이는 상당한 유전자형 × 환경(G×E) 상호작용을 초래한다. 안정성과 적응성을 평가하기 위해 혼합 모델(REML/BLUP)과 같은 통계적 방법이 확립되어 있음에도 불구하고, 리오데자네이로의 신흥 생산 지역의 독특한 조건 하에서 이러한 특정 매개변수를 다루는 연구는 부족한 실정이다. 이러한 공백은 신규 프런티어에서의 품종 추천을 정확하게 하고 생산 전략을 최적화하는 데 걸림돌이 되고 있다.

연구 방법
본 연구에서는 8가지 상업용 대두 유전자형(95R95IPRO, BMX COMPACTA IPRO, BRS 7780IPRO와 같은 품종 포함)을 5개의 서로 다른 환경에서 평가하였다. 이 환경들은 두 곳의 위치(Campos dos Goytacazes 및 Macaé)와 두 번의 재배 시즌(2019/2020 및 2020/2021)의 조합으로 정의되었다. 실험에는 4반복의 무작위 완전 블록 설계(RCBD)가 사용되었다.

데이터 분석은 Selegen REML/BLUP 소프트웨어를 사용하여 수행되었다. 본 연구는 분산 성분과 유전자형 값을 추정하기 위해 선형 혼합 모델($y = Xr + Zg + Wi + e$)을 채택하였다. 계산된 주요 통계 매개변수는 다음과 같다:

• 분산 성분: 유전자형($\sigma^2_g$), G×E 상호작용($\sigma^2_{ge}$), 잔차($\sigma^2_e$) 분산.
• 유전 매개변수: 유전자형 평균 기반 유전력($\hat{h}^2$), 선택 정확도(SA), 환경 간 유전자형 상관계수($\hat{r}_{ge}$).
• 선택 지수: 수량의 안정성과 적응성을 평가하기 위해, 본 연구는 수량의 안정성을 위한 유전자형 값의 조화 평균(HMGV), 적응성을 위한 유전자형 값의 상대적 성능(RPGV), 그리고 수량, 안정성 및 적응성의 동시 선택을 위한 유전자형 값의 상대적 성능의 조화 평균(HMRPGV)을 활용하였다.

주요 결과

• G×E 상호작용: 곡물 수량 분산의 약 80%를 차지하는 유의미하고 지배적인 G×E 상호작용이 검출되었다. 환경 간 유전자형 상관계수는 매우 낮게 나타났으며($\hat{r}_{ge} = 0.01$), 이는 환경에 따라 유전자형 순위가 크게 변화함을 의미한다.
• 유전 매개변수: 높은 환경적 요인의 영향과 강한 G×E 상호작용으로 인해 곡물 수량에 대한 낮은 유전력($\hat{h}^2 = 0.03$)과 낮은 선택 정확도(SA = 0.18)가 관찰되었다. 실험 변이 계수(CVe)는 10.76%로, 대두 시험의 허용 범위 내에 있었다.
• 유전자형 성능:
  • 전체 수량: 전체 평균 곡물 수량은 3,281.15 kg ha⁻¹였다.
  • 상위 성과자: 95R95IPRO, BMX COMPACTA IPRO, TMG7061IPRO 유전자형이 지속적으로 우수한 성능을 입증하였다.
  • 안정성 및 적응성: HMRPGV 방법은 95R95IPRO, BMX COMPACTA IPRO, TMG7061IPRO를 수량, 안정성 및 적응성의 동시 선택을 위한 상위 3개 유전자형으로 식별하였다.
  • 특정 이득: 상호작용이 없는 값을 고려했을 때, 95R95IPRO 유전자형은 일반 평균 대비 가장 높은 유전적 이득(13.82 kg ha⁻¹)을 보였다.
  • 환경 특이성: 일부 유전자형(예: BRS 7780IPRO)은 특정 환경(E2, E3, E4 등)에서 뛰어난 성과를 보였으나, HMRPGV에 의해 식별된 상위 3개 유전자형은 테스트된 다양한 조건 전반에서 높은 성능을 유지하였다.
  • 수량 비교: Macaé 지역의 상위 성과 유전자형들은 2023/2024 수확기의 국가 평균 수량(3,202 kg ha⁻¹)을 초과하였으며, 일부는 특정 유리한 환경에서 6,000 kg ha⁻¹ 이상에 도달하였다.

의의 및 주장
본 논문은 관찰된 유의미한 G×E 상호작용으로 인해, 이 신규 지역에서의 품종 추천을 위해 단순히 평균 성능에 의존하기보다는 혼합 모델(REML/BLUP)과 안정성 및 적응성 지수(HMGV, RPGV, HMRPGV)를 결합하여 사용해야 한다고 주장한다.

본 연구는 95R95IPRO, BMX COMPACTA IPRO, TMG7061IPRO 유전자형이 북부 리오데자네이로 지역을 위한 광범형 적응성 및 안정성에 필요한 유전적 잠재력을 보유하고 있음을 강조한다. 이 유전자형들은 육종 프로그램 및 해당 지역 재배를 위한 유망한 후보로 제시된다. 저자들은 평균 성능도 중요하지만, 복잡한 환경적 상호작용이 특징인 지역에서 성공적인 유전적 개선과 품종 보급을 위해서는 유전자형 발현의 일관성(HMRPGV 방법에 의해 검증됨)이 결정적이라는 점을 강조한다. 본 연구 결과는 브라질의 신흥 대두 프런티어를 지원하는 데 있어 이러한 통계적 도구의 유용성을 뒷받침한다.