尼日利亚西南部地区拉格纳里亚·西塞拉里亚（Lagenaria siceraria，又称葫芦）种群的表型与分子遗传多样性评估

《Ecological Genetics and Genomics》：PHENOTYPIC AND MOLECULAR ASSESSMENTS OF GENETIC DIVERSITY IN Lagenaria siceraria (BOTTLE GOURD) ACCESSIONS FROM SOUTHWEST NIGERIA

本研究评估了43份西非落葵样本的形态学与rbcL分子标记特征，发现高遗传变异和遗传力，揭示分子与表型数据相关性，并识别6个表型-基因型分离的个体。

　　

Olagunju Yemisi Omobonike | Olawuyi Odunayo Joseph

尼日利亚国家园艺研究所生物技术部门

摘要

Lagenaria siceraria属于葫芦科（Cucurbitaceae），属于蔬菜作物。在L. siceraria研究中应用rbcL标记的方法并不常见。因此，本研究通过表型和分子（基于rbcL）方法对43份L. siceraria样本进行了特征分析。

这些样本来自尼日利亚西南部的四个州，并在两年内采用随机完全区组设计（randomized complete block design）进行了评估。表型特征使用IBPGR/ECPGR葫芦科描述符进行评估，而遗传变异和遗传力估计则采用标准方法确定。基因组DNA的提取采用了改良的CTAB协议。rbcL基因通过H1f/Fofana引物扩增，并在ABI 3130xl测序仪上进行测序。

通过形态学评估观察到广泛的遗传多样性；果实和种子特征的百分比变异率超过了40%。样本对所有表型特征的影响都非常显著（p<0.0001）。遗传力估计范围从31.9%（NFF-第一朵雌花的节点）到99%（NSPP-每株植物的种子数量），果实的基因型变异系数（Genotypic Coefficient of Variation）也很高（118.06%）。rbcL基因显示了238个分离位点，中等程度的单倍型多样性（Hd = 0.518）和核苷酸多样性（π = 0.07247）。系统发育树证实所有L. siceraria样本的序列相似度均≥98%。Procrustes相关性图显示分子数据和形态数据之间存在轻微的一致性。六个异常值表明性状遗传的复杂性以及选择的潜力。

引言

Lagenaria siceraria（Molina）Standl.（葫芦）是一种攀缘植物，属于葫芦科，以其多样的形态而闻名，自古以来就被栽培。其广泛分布归因于人类迁移和自然扩散。L. siceraria的叶子和果实不仅是美味的蔬菜，还富含维生素、油脂、蛋白质和其他生物活性化合物。除了作为食物外，成熟的干葫芦常被制成手工艺品和文化产品，如储存容器和乐器。这促进了更多的种质资源鉴定和保护工作。

尼日利亚西南部是该物种的主要多样性中心，该地区拥有独特的农业生态梯度以及农民的选育实践，这些因素影响了本地适应性状的产生。形态描述符在种质资源评估和育种中仍然非常重要，但它们依赖于表型，而表型可能掩盖遗传变异。已经使用分子标记（SSR、SNP、AFLP、RAPD）对L. siceraria进行了多种群体遗传学和基因组学研究，以揭示群体结构和多样性模式。关于rbcL（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶大亚基）标记与L. siceraria表型特征的结合研究仍较为有限。

rbcL叶绿体基因通常具有保守性，常用于高级系统发育推断或DNA条形码分析。然而，多项研究成功地利用部分rbcL序列检测了种内多态性位点、单倍型和遗传结构，尤其是在与表型或群体分析结合使用时。例如，部分rbcL序列已被用于估计非洲山药豆（African yam bean）样本间的种内遗传变异、分离位点和单倍型多样性。类似地，rbcL序列也被用于研究Moringa oleifera样本间的种内遗传变异和进化趋势。rbcL序列还用于表征Parkia biglobosa地方品种的种内遗传结构，证明了其在群体遗传分析中的实用性。

rbcL是植物分子系统学和基因表达研究中最常用的叶绿体标记之一。该基因编码RuBisCO酶的大亚基，在光合作用中的碳固定过程中起着关键作用。它具有足够的序列变异性和保守性，可以区分亲缘关系密切的物种和群体。rbcL序列在葫芦科中解析了系统发育关系，并评估了不同属和物种间的遗传变异。该标记通过叶绿体DNA固定，对于追踪进化谱系和研究群体动态非常有用。然而，在尼日利亚西南部，使用rbcL标记对L. siceraria种质资源的特征分析并不常见。

尽管对葫芦进行了大量的表型和核标记研究，但将叶绿体rbcL序列变异与详细的表型描述符和遗传力估计相结合的研究仍然不足，尤其是在西非种质资源中。因此，本研究通过表型和分子方法对尼日利亚西南部的43份L. siceraria样本进行了特征分析。

实验材料与设计

从尼日利亚西南部的四个州——奥约（Oyo，OY）、奥恩多（Ondo，OD）、奥贡（Ogun，OG）和奥孙（Osun，OS）收集了43份Lagenaria siceraria种子样本。试验在伊巴丹的国家园艺研究所（NIHORT）和伊巴丹大学植物学系进行了两个种植年度的田间试验。实验采用随机完全区组设计（RCBD），每个重复三次。每个样本构成一个实验单元。

Lagenaria siceraria样本的形态变异

混合模型方差分析显示，样本效应对所有测量的果实特征（如果实长度（FL）、果实直径（FD）、果实重量（FW）、果实壳厚度（FST）、叶柄长度（PL）和每株植物的果实数量（NFPP）都具有显著影响（表2）。在研究的果实特征中，果实长度的均方值最高（MS = 392.33）。方差成分分析表明，果实长度的残差方差占主导地位。

讨论

对43份尼日利亚Lagenaria siceraria样本的形态学特征分析显示，果实、种子、叶片、茎和花特征存在显著的表型和遗传变异。这与Buthelezi等人的研究结果一致，他们评估了南非的葫芦地方品种，发现果实大小、形状和种子特征存在较大差异。然而，当前研究在两个以上的特征类别中发现了更大的分化，包括花和营养繁殖特征。

结论与建议

本研究深入探讨了尼日利亚本地L. siceraria种质的遗传组成和变异，为保护和改良策略奠定了基础。rbcL标记在识别样本方面非常有效，同时也揭示了极高的叶绿体多样性。此外，表型特征的高遗传力估计支持了表型选择的合理性。显著的Procrustes相关性进一步证实了该标记的适用性。

CRediT作者贡献声明

Yemisi Omobonike Olagunju：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、调查、数据管理。Odunayo Joseph Olawuyi：撰写——审稿与编辑、验证、监督、软件使用、项目管理、方法论制定、资金获取、概念构思

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。