解读尼泊尔指形小米（Eleusine coracana L. Gaertn）地方品种的遗传变异及其与产量相关性，以促进产量提升

《Discover Agriculture》：Deciphering genetic variability and trait associations in Nepalese finger millet (Eleusine coracana L. Gaertn) landraces for yield improvement

　　摘要
了解遗传变异以及产量与产量相关性状之间的关联程度，对于育种计划中的有效选择和产量提升至关重要。因此，本研究采用了随机完全区组设计（RCBD），进行了三次重复实验，评估了18个指形小米地方品种和一个已发布的栽培品种（Kabre Kodo 2）。为了研究遗传变异并表征性状间的关联，评估了十个关键的农艺形态性状。方差分析（ANOVA）显示，所有研究性状在不同地方品种之间存在显著差异（p ≤ 0.05）。所有研究性状的表型变异系数（PCV）均高于基因型变异系数（GCV）。在穗长、千粒重和粒产方面，观察到了较高的遗传力（h2b）以及作为平均值百分比的遗传进展（GAM）。在基因型和表型水平上，粒产与指宽、千粒重和穗重呈正相关（p ≤ 0.05）。路径分析表明，千粒重和指数对粒产有最大的正向直接影响。因此，未来的育种计划应基于穗重、指宽、指数和千粒重进行选择，以提高指形小米的产量。

1 引言
指形小米（Eleusine coracana）是一种异源四倍体（2n = 4x = 36, AABB）谷物作物。由于其高营养价值和气候适应性，它被认为是一种具有潜力的未来智能作物[1]。尼泊尔是小米多样性的次要中心[2]。这种作物在海拔85至3,130米的范围内种植，主要分布在尼泊尔中部山区的干旱地区[3]。它在尼泊尔山区和丘陵地区的粮食安全中起着重要作用[4]。然而，尼泊尔的指形小米产量在全球范围内相对较低，该国每年需要进口大量小米以满足国内需求。现有遗传多样性的有限利用以及改良品种的稀缺限制了尼泊尔的产量潜力。尼泊尔的指形小米地方品种具有对营养（钙和铁）、耐寒性和耐旱性等具有全球重要性的遗传特性，这些特性对粮食和营养安全至关重要[5, 6]。自然存在的变异对于遗传改良至关重要，因为产生多样性通常是一个繁琐且资源密集的过程。因此，记录指形小米地方品种中的遗传变异对于提高产量是必要的。

遗传变异是育种计划开发改良品种的基本前提。它表现为种群内个体间等位基因和遗传组成的多样性，影响表型表达和性状表现[7, 8]。遗传参数的估计有助于理解基因作用，并指导选择方法。广义遗传力（h2b）表示种群中总表型变异（σp2）中可归因于总体遗传因素（σg2）的部分，包括加性、显性和上位性效应[9]。遗传力结合遗传进展反映了基因作用的性质，无论是加性还是非加性，为性状改良提供了可能性[10]。遗传变异和遗传力的大小决定了种群的遗传改良潜力。基因型方差（σg2）解释了种群中个体间遗传差异所占总表型方差的部分，而表型方差（σp2）则考虑了遗传和环境变异。基因型变异系数（GCV）和表型变异系数（PCV）根据种群平均值标准化了变异成分，提供了性状间变异性和环境对性状表现影响的相对评估[11]。

产量是一个数量性状，其表达很大程度上取决于多个产量相关性状及其相互作用[12]。因此，基于性状的選擇为产量提升提供了巨大途径，并增加了获得改良指形小米品种的可能性[13]。了解粒产与农艺性状之间的关系对于确定指形小米的选择标准至关重要。相关性分析有助于理解粒产及其组成部分之间线性关联的强度和方向。然而，它并不能解释因果关系，也不能说明粒产与其组成部分之间的关系是直接的还是通过其他性状介导的[14]。为了解决这一限制，采用了路径分析将相关系数分为直接效应和间接效应，并识别对粒产影响最大的性状。这为性状优先级提供了定量基础，更清晰地理解了因果关系和性状间的相互依赖性，从而优化育种策略[15]。

很少有研究调查尼泊尔指形小米的遗传变异、性状关联以及对其叶枯病和指枯病的抗性[16,17,18,19]。然而，大多数研究集中在埃塞俄比亚和印度的指形小米种质资源上。埃塞俄比亚和印度的指形小米品种主要种植在热带低地，以耐热和耐旱著称。尼泊尔的指形小米则种植在中部山区到高山区（高达3,100米），以其耐寒性和耐旱性闻名。此外，尼泊尔高海拔地区种植的指形小米富含钙（Ca）和铁（Fe），被认为是喜马拉雅超级食物[20]。对于尼泊尔指形小米的遗传改良工作做得很少。结果，农民仍然在种植没有任何遗传改良的地方品种。这突显了识别提高产量的性状并在育种计划中利用它们的迫切需求。因此，本研究的目的是通过相关性和路径分析来估计遗传变异并评估主要的产量相关性状。

2 材料与方法
2.1 遗传材料
本研究使用了18个指形小米地方品种和一个已发布的品种（Kabre Kodo 2）作为遗传材料。地方品种的列表、它们的独特特征以及收集地点见表1。这些指形小米地方品种在尼泊尔中部山区非常突出，以其高产量、优良的籽粒品质以及抗虫害和疾病的能力而闻名。

3 研究地点
研究在尼泊尔Lamjung的农业与动物科学研究所（IAAS）进行，位于北纬28.08°、东经84.25°，海拔800米。研究于2024年5月至11月在尼泊尔西部山区的雨养条件下进行。研究地点的土壤理化性质在IAAS Lamjung校区的土壤实验室进行了分析，并在表S1中呈现。研究期间记录的农气参数见图1。

4 研究设计与作物管理
实验采用随机完全区组设计（RCBD），进行了三次重复。每个小区面积为10平方米（5米×2米）。植株间距保持在10厘米，行间距为25厘米，共8行。整个研究期间遵循了尼泊尔农业研究委员会（NARC）和Chapagain等人[21]制定的标准农艺实践。

4.1 数据收集
为了减少边界效应，数据从每个小区的六行中央收集。共记录了十个主要的农艺性状。记录的性状及其测量方法见表2。数据收集依据国际植物遗传资源委员会（IBRG）提供的指形小米描述标准[22]。

4.2 统计分析
数据使用MS Excel 2019编译和格式化。所有统计分析均在R Studio（版本4.3.2）中进行。描述性统计使用“psych”包（https://cran.r-project.org/package=psych）完成。方差分析（ANOVA）使用“agricolae”包（https://cran.r-project.org/package=agricolae）进行。为了可视化基因型和表型相关性，使用“Heatmaply”包（https://cran.r-project.org/package=heatmaply）生成热图。遗传变异参数的估计按照以下标准公式进行。

4.2.1 表型和基因型方差的估计
基因型方差、表型方差、基因型变异系数（GCV）和表型变异系数（PCV）的计算方法按照Johnson等人[23]和Burton与De Vane[24]的描述进行。
PCV和GCV的值根据Sivasubramaniam和Madhava Menon[25]的建议分为三类：低（< 10%）、中等（10–20%）和高（> 20%）。

4.2.2 遗传力和遗传增益的估计
广义遗传力（h2b）的计算和分类按照Robinson等人[26]的建议分为三类：低（< 30%）、中等（30–60%）和高（> 60%）。
在5%选择强度下的遗传进展（GA）以及作为平均值百分比的遗传进展（GAM）按照Comstock和Robinson[27]的方法计算。

4.2.3 表型和基因型相关系数的估计
基因型和表型相关系数的计算方法按照Miller等人[28]的描述进行。粒产（GY）被视为因变量，其余性状被视为自变量。

4.2.4 路径系数分析
表型和基因型路径系数分析按照Dewey和Lu[29]的方法进行。

5 结果
5.1 平均表现
方差分析（ANOVA）显示，所有研究性状在不同指形小米地方品种之间存在显著差异（p < 0.001）（表3）。平均表现分析显示农艺形态性状存在较大差异（表4）。穗长（PH）范围为121.6至171.4厘米，播种至成熟时间（DTF）范围为73至127天，成熟时间（DTM）范围为107至164天，平均成熟时间为142.35天。同样，每穗籽粒数（EHL）范围为5.76至19.94克，反映了研究地方品种间穗结构的差异。穗宽（FW）范围为0.64至1.16厘米，指数（NF）范围为4.6至11.2厘米。每穗籽粒重量（EHW）范围为5.7至12.93克，平均为9.70克。每穗籽粒数（TSW）范围为2.11至5.44克，粒产（GY）范围为1.14至4.55吨/公顷（表3）。

5.2 表型和基因型变异系数
指形小米地方品种间各研究性状的PCV范围为8.24%至36.78%。ET（36.78%）、EHL（35.20%）、GY（34.41%）和TSW（20.09%）的PCV值较高。NF、FLA、EHW、FW和DTF的PCV处于中等水平（表4）。PH（8.24%）和DTM（8.95%）的PCV值较低。GCV范围为6.31%至30.67%。EHL（30.67%）的GCV值最高，其次是GY（26.67%）和ET（24.92%）。TSW、NF和DTF的GCV值处于中等水平（表1）。其余性状的GCV值较低。

5.3 广义遗传力和遗传增益
广义遗传力（h2b）范围为45.62%至92.82%。表型性状DTF（92.82%）和DTM（91.6%）的遗传力最高。这些性状其次是TSW、EHL和GY。这些性状被归类为高度可遗传的性状。其余性状的遗传力处于中等水平（表4）。GAM范围为9.94%至55.06%。EHL（55.06%）的GAM最高，其次是GY（42.57%）、ET（34.79%）、TSW（33.48%）和DTF（20.74%）。观察到的最低GAM值出现在PH、EHW和FW上。5.4 表型与基因型相关性在所研究的性状中，TSW、EHW和FW在基因型和表型水平上都与GY呈正相关（p < 0.05）。相比之下，PH在两个水平上都与GY呈负相关。其余性状与GY呈正相关，但相关性不显著（见表S1）。PH在基因型和表型水平上都与DTF、DTM和EHL呈正相关。类似的，TSW在基因型和表型水平上也与EHL和FW呈正相关。其余的相关性在表S2和图2中展示。聚类分析将所研究的农艺性状分为两个主要组别。第一组包括产量和主要产量贡献性状，如GY、EHW、TSW、FW和NF；第二组包括DTF、DTM、PH和EHL。图2 这张图像的替代文本可能是使用AI生成的。全尺寸图像指小米农艺性状之间的皮尔逊相关系数层次聚类热图。a 基因型相关系数，b 表型相关系数。颜色渐变显示了相关系数的强度和方向，范围从-1（紫色，负相关）到+1（黄色，正相关）。缩写：FW：指宽（厘米）；NF：指数；TSW：千粒重（克）；PH：植株高度（厘米）；DTF：开花50%所需天数；DTM：成熟80%所需天数；EHW：穗头重量（克）；EHL：穗头长度（厘米）；ET：有效分蘖数；GY：谷物产量（吨/公顷）。树状图展示了基于相关性模式相似性的农艺性状的层次聚类。5.5 路径分析表5展示了表型和基因型系数路径分析的结果。对角线（粗体）部分代表直接效应，非粗体部分表示所研究性状对GY的间接效应。根据表型系数路径分析，TSW（0.358）对GY的直接贡献最大，其次是NF、EHW、DTM和FW。相比之下，PH（-0.236）对GY的直接负面影响最大，其次是EHL、ET和DTF。TSW还通过DTF、DTM、EHL、FW和EHW间接影响GY（表5）。同样，对于基因型系数路径分析，TSW（2.416）对GY的直接正面贡献最大，其次是NF和DTF。相比之下，DTM（-0.939）对GY的直接负面影响最大，其次是EHW、FW和EHL。此外，PH还通过ET、DTM、DTM、EHL和NF间接负面影响GY（表5）。各个性状的直接和总间接贡献在图S1中展示。表5 所研究性状对谷物产量的表型和基因型路径分析。6 讨论遗传变异是旨在遗传改良的育种计划的基石[30, 31]。因此，在这项研究中，我们记录了尼泊尔指小米地方品种的遗传变异性和性状关联，以改善产量。所研究地方品种之间的显著差异反映了这些品种的多样性。这种变异可能源于遗传多样性和环境相互作用[32]。性状的广泛差异反映了不同的生长习性以及在不同生理阶段、穗头结构和籽粒灌浆能力上的差异。这种变异为在作物改良计划中利用这些地方品种提供了坚实的基础。观察到的高PCV值是由于环境对性状表达的影响[33]。PCV与GCV之间的相对差异越大，环境对性状表达的影响就越大[34]。在生理数据和TSW中观察到的相对差异最小。PCV-GCV相对差异最小的性状在遗传上更为确定[35]。DTF、DTM、TSW、EHL和GY表现出高遗传力（>60%），表明在所研究的群体中观察到的变异大部分是由遗传控制的。指小米地方品种中可遗传性状的遗传变异是由于加性基因作用[36]。遗传力与遗传进展相结合，有助于理解基因作用，并有助于预测选择过程中的遗传增益[37]。在所研究的指小米群体中，EHL、GY和TSW具有广义遗传力（>60%）和GAM（>30%），表明它们受到强烈的遗传控制，可以通过表型选择进行改良。这一发现与Gadi等人[38]和Jaiswal等人[39]的研究结果一致。具有中等GAM的性状可以通过杂交来利用遗传重组[40]。然而，对于GAM较低的性状，育种策略应侧重于渐进式选择，因为它们受非加性基因作用的影响。谷物产量是一个复杂的性状，取决于产量贡献性状之间的相互作用。同样，在我们的研究中，TSW、EHW和FW在基因型和表型水平上都与GY呈正相关（p < 0.05）。这与Anuradha等人[41]和Geneti等人[42]的研究结果一致。较宽的指状结构增加了籽粒的储存能力，从而增加了籽粒发育的表面积。GY和TSW通常受多效基因的控制[43]。因此，TSW是选择高产品种的主要标准。穗头是指小米中光合产物的主要储存器官。穗头的光合作用贡献了高达41%的生产力[44]。同样，PH在两个水平上的负相关表明矮小的品种具有高生产力。由于负相关会扰乱资源分配，应尽量减少这种负面效应。因此，具有较宽指宽、高籽粒重量和较大穗头大小的矮小品种是育种计划的理想亲本材料。此外，较高的基因型系数比表型系数反映了性状之间的强遗传重叠。在基因型水平上，控制两个不同性状的基因在连锁的耦合阶段呈正相关，但在排斥阶段呈负相关[45]。在用于产量改良的选择计划中，应优先考虑与GY聚类的性状。根据表型和基因型路径分析，TSW和NF对GY有强烈的直接正面影响。这一结果与Jadhav和Babu[46]的研究结果一致。具有高路径系数值的性状会影响更多依赖性性状（GY），从而提高目标性状的选择效率[47]。尽管NF在基因型和表型相关性方面与GY呈正相关但不显著，但它对GY有直接的正面影响。这突显了NF作为独立产量贡献性状的作用。我们的研究结果表明，未来的育种应优先考虑FW、EHW、NF和TSW来提高指小米的产量。7 结论所有研究性状都存在高度的遗传变异。遗传参数的估计显示，千粒重、穗头长度和谷物产量具有高广义遗传力和遗传进展（作为平均值的百分比），表明通过选择有很强的遗传改良潜力。表型和基因型相关性对于评估和细化选择标准以支持理想性状至关重要。千粒重和指数对谷物产量有强烈的正面直接影响。总体而言，这项研究表明，选择矮小植株、高指数、宽指宽、穗头重量和籽粒重量将提高潜在产量，应在选择策略中优先考虑。然而，在将这些发现整合到未来的育种计划之前，建议进行更多的多地点和多年试验。