基于大规模种质资源评价的胡芦巴遗传多样性及农艺性状解析为育种改良提供新见解

《Scientific Reports》：Genetic diversity and agromorphological characterization of Fenugreek (Trigonella foenum-graecum L.) germplasm provides insight for breeding and crop improvement

本研究针对胡芦巴(Trigonella foenum-graecum L.)遗传潜力未充分挖掘的问题，通过对204份种质资源（包括145份外来种质和55份本地种质）进行为期两个生长季的农艺形态性状系统评价。研究人员采用增强区组设计，结合方差分析(ANOVA)、遗传参数估计、聚类分析和主成分分析(PCA)等多元统计方法，揭示了胡芦巴关键经济性状的遗传多样性。结果表明，单株荚果数(NPPP)、种子产量(SY)和千粒重(TSW)等性状具有高遗传力和遗传进展，而EC-510579和EC-510613等多性状优良基因型的发现为培育高产、早熟、双用途胡芦巴品种提供了宝贵资源。

　　

在印度，胡芦巴不仅是一种重要的香料作物，更是一种具有抗糖尿病、抗炎和降胆固醇等多种药用价值的珍贵植物。作为全球最大的胡芦巴生产国和出口国，印度在2023-24年度的胡芦巴种植面积达到14.5万公顷，产量高达22.9万吨。然而，尽管其经济价值和药用重要性日益凸显，胡芦巴的遗传潜力却远未得到充分探索，这严重制约了该作物的品种改良和产业发展。

胡芦巴遗传改良面临的核心问题在于缺乏系统性的种质资源评价体系。虽然印度国家植物遗传资源局(NBPGR)保存有丰富的胡芦巴种质资源，但这些资源的农艺形态特征鉴定工作仍然有限，导致育种工作者难以有效利用这些遗传宝库。传统育种往往依赖于经验性选择，缺乏对关键性状遗传规律的科学认知，特别是对于同时追求叶片产量和种子产量的双用途育种目标，更需要深入了解不同性状间的遗传关联。

为了破解这一难题，由Vijay Singh Meena和Vijay Kamal Meena领导的研究团队在《Scientific Reports》上发表了他们的最新研究成果。他们开展了迄今为止最为全面的胡芦巴种质资源农艺形态表征研究，对204份胡芦巴种质资源（包括145份来自美国的外来种质和55份印度本地种质）进行了系统评价，旨在揭示胡芦巴遗传多样性特征，为育种改良提供科学依据。

研究人员采用了多种关键技术方法开展本研究。他们在印度NBPGR地区站（焦特布尔）进行了连续两个拉比季节（2022-23和2023-24）的田间试验，使用增强区组设计并设置四个国家对照品种。表型数据采集涵盖了11个关键农艺性状，包括开花期(DTF)、成熟期(DTM)、株高(PH)、叶片数(NL30、NL60)和产量相关性状等。统计分析采用了最佳线性无偏预测(BLUP)值估计、方差分析(ANOVA)、相关性分析、通径分析、聚类分析和主成分分析(PCA)等多种多元统计方法，确保研究结果的可靠性和科学性。

胡芦巴种质资源的表征

方差分析结果显示，除每株初级分枝数(NBPP)外，其他所有性状在基因型间均存在极显著差异(p<0.01)，表明供试材料具有丰富的遗传多样性。箱线图分析进一步揭示了各性状的不同分布模式：开花期(DTF)和成熟期(DTM)呈现紧凑分布，变异较小；而30天叶片数(NL30)、60天叶片数(NL60)、单株荚果数(NPPP)、种子产量(SY)和千粒重(TSW)等性状则表现出较大的变异性，存在多个离群值，反映了基因型间的广泛差异。

相关性分析揭示了性状间的重要关联。株高(PH)与30天叶片数(NL30)、60天叶片数(NL60)、初级分枝数(NBPP)和开花期(DTF)呈显著正相关，而与成熟期(DTM)呈负相关。单株荚果数(NPPP)与荚果长度(PL)和每荚种子数(NSPP)正相关，千粒重(TSW)与种子产量(SY)高度正相关(r=0.72, p<0.01)。这些发现表明，株高、叶片数和分枝结构是相互关联的性状，共同影响开花时间和成熟期；而荚果特性（如荚果数、长度和种子数）则共同贡献于种子产量。

通径分析结果进一步明确了各性状对种子产量的直接和间接影响。每荚种子数(NSPP)对种子产量具有最强的直接正效应（标准化通径系数=0.87），表明它是产量的主要决定因子。千粒重(TSW; 0.45)、荚果长度(PL; 0.37)和株高(PH; 0.26)也表现出显著的正直接效应。相反，60天叶片数(NL60; -0.42)和开花期(DTF; -0.33)对种子产量有显著的负直接效应。

遗传参数

遗传参数分析为理解性状的遗传控制提供了重要见解。表型方差(PV)和基因型方差(GV)以单株荚果数(NPPP)最高（PV=26006.98, GV=25863.86），以初级分枝数(NBPP)最低（PV=1.13, GV=0.31）。基因型变异系数(GCV)和表型变异系数(PCV)的范围分别为2.51%(DTM)至194.56%(NPPP)和2.67%(DTM)至195.10%(NPPP)。广义遗传力(h²_BS)范围从27.29%(NBPP)到接近100%(NL30、NL60、NPPP、SY和TSW)。遗传进度(GA)占均值的百分比(GAM)从0.60%(NBPP)到400.28%(NPPP)不等。

这些结果表明，30天叶片数(NL30)、60天叶片数(NL60)、单株荚果数(NPPP)、种子产量(SY)和千粒重(TSW)等性状具有高遗传力和高遗传进度，表明这些性状主要受加性基因作用控制，可通过选择有效改良。相反，成熟期(DTM)和初级分枝数(NBPP)等性状遗传力低，受环境影响大。

204份胡芦巴种质资源中的四个 distinct 聚类

基于形态、物候、产量和产量相关性状的欧氏距离进行聚类分析，将基因型成功分为四个 distinct 类群。聚类I包含58个基因型，以高产为特征，如IC-590113（种子产量达71.67克）。聚类II包含65个基因型，以早熟为特点，如EC-510678（开花期41天）。聚类III仅含5个基因型，专注于荚果生产，如IC-315857（单株荚果数141.2个）。聚类IV包含76个基因型，在种子品质性状上表现优异，如EC-510579（千粒重20.15克）。

主成分分析(PCA)

主成分分析双标图显示了各种农艺性状对前两个维度（Dim1和Dim2）所解释总变异的关系和贡献。Dim1解释了总变异的38.6%，Dim2解释了15.5%，两者共同捕获了54.1%的变异性。开花期(DTF)和成熟期(DTM)是Dim1的主要贡献者（特征向量分别为0.89和0.72），而单株荚果数(NPPP)是Dim2的主要贡献者（贡献率25.74%）。

性状特异性种质资源鉴定

研究基于综合表型数据鉴定出了具有特定性状的优良种质资源。对于早开花性状，EC-510570、IC-588878等种质开花时间仅为44天，优于对照品种AFG-1和AFG-3（45天）。对于早熟性状，EC-510706、IC-336804等种质成熟期为110天，与最早熟的对照品种AFG-1相当。在营养生长性状方面，EC-510713的30天叶片数高达157.33，显著优于对照RMT-1（113）；EC-510628的60天叶片数达596.67，远高于对照PUSA EARLY BUNCHING（389）。EC-510623的株高为111.37厘米，几乎是对照品种的两倍。

在产量相关性状方面，IC-315857的初级分枝数(NBPP)为12.7，优于对照；EC-510737的单株荚果数(NPPP)高达141.2个；EC-510614的荚果长度(PL)为15.35厘米，优于对照；IC-590113的种子产量(SY)为71.67克，优于对照；EC-510579的千粒重(TSW)为20.15克，显著优于对照。特别重要的是，八个种质基因型在多个性状上表现优异，其中EC-510579和EC-510613在七个性状上表现突出，展现了其遗传多样性和适应性。

研究结论与讨论部分强调，本研究通过整合大规模表型评价与多元统计工具，系统揭示了胡芦巴种质资源的遗传多样性特征。研究发现单株荚果数(NPPP)、种子产量(SY)和千粒重(TSW)等关键产量性状具有高遗传力和遗传进展，表明这些性状主要受加性基因控制，可通过直接选择有效改良。相关性、聚类和主成分分析明确了性状间的内在联系，并将种质资源划分为具有特定育种价值的类群。

多性状优良基因型如EC-510579和EC-510613的发现尤为珍贵，它们同时具备高产、优质和早熟等特点，为培育适应不同生态区域和生产系统的胡芦巴品种提供了核心亲本材料。本研究首次在胡芦巴中同时关注叶片和种子这两种经济器官的性状变异，推动了双用途育种理念的发展。

这项研究的创新之处在于将大规模表型评价与高级统计分析方法相结合，针对204份多样化胡芦巴种质资源（包括外来和本地材料）进行了全面的农艺形态表征。通过遗传参数估计和多元分析，研究揭示了经济性状的遗传多样性程度，确定了关键产量相关性状的高遗传力和遗传进展，并区分出EC-510579和EC-510613等具有多性状优势的基因型。

这些研究成果为胡芦巴育种提供了明确的方向：利用高遗传力性状进行直接选择，针对不同生态条件选择相应聚类中的基因型，以及利用多性状优良种质作为亲本进行杂交育种。未来研究应结合基因组学工具，如全基因组关联分析(GWAS)和标记辅助选择(MAS)，深入挖掘这些性状的遗传基础，加速胡芦巴品种改良进程，满足不断变化的农业生产和消费需求。