基于形态分子多样性与稳定性分析的荞麦种质资源鉴定及高产优质基因型筛选

为解决荞麦这一高营养潜力作物缺乏系统评价和优良种质的问题，研究人员通过农艺性状、SSR标记和生化分析对102份普通荞麦（Fagopyrum esculentum）和苦荞（Fagopyrum tataricum）种质进行综合评价，鉴定出IC16550、IC26586等高产稳产且营养品质优异的基因型，为荞麦遗传改良提供了重要资源。

　　

在全球粮食安全面临挑战的背景下，过度依赖少数主粮作物导致膳食结构单一化，加剧了营养不良和健康风险。未被充分利用的作物（underutilized crops）具有巨大的营养价值和环境适应性潜力，其中荞麦（Buckwheat）作为一种多功能作物，因其高营养价值、适应性强和低投入需求而备受关注。然而，尽管荞麦富含优质蛋白质、必需氨基酸、膳食纤维、矿物质和多种生物活性物质（如芦丁（rutin）、槲皮素（quercetin）等），其全球种植面积和遗传多样性却在近年来显著下降。缺乏有效的遗传评价和育种措施限制了这一作物的进一步开发和利用。因此，系统评估荞麦种质资源的遗传多样性、鉴定高产稳产且营养优良的基因型，对推动荞麦育种和产业发展具有重要意义。

本研究由Partha Protim Dutta、Sunandan Swain、Bingiala Laloo、Simardeep Kaur、Letngam Touthang、Veerendra Kumar Verma、Rahul Chandora、Satish Kumar Yadav、Mayank Rai、S.P. Das和Amit Kumar共同完成，发表于《Scientific Reports》。研究人员利用来自印度不同地区的102份荞麦基因型（包括普通荞麦和苦荞），在三个环境中（Rabi-2022-23、Kharif-2023和Rabi-2023-24）采用增广设计进行田间试验，结合农艺形态性状调查、生化品质分析（总碳水化合物、蛋白质、植酸含量）和分子标记（69个SSR标记）技术，通过遗传变异分析、相关性分析、聚类分析、主成分分析（PCA）、AMMI稳定性分析、多性状稳定性指数（MTSI）和群体结构分析，全面评估了荞麦种质的多样性、稳定性和营养品质。

研究结果显示，荞麦基因型在农艺性状、分子多样性和生化成分方面存在显著变异。单株产量、单株种子数、百粒重和叶柄长度等性状与产量呈正相关且具有直接正向通径系数。SSR标记揭示了较高的遗传多样性（平均等位基因数2.65，PIC值0.409），群体结构分析将种质分为两个亚群，分子方差分析（AMOVA）表明群体内变异（84%）高于群体间变异（16%）。AMMI稳定性分析鉴定出5个高产稳产基因型，MTSI指数进一步筛选出15个优良基因型，其中IC16550、IC26586、Shimla B-1和Local teethey在产量、稳定性和营养品质方面表现突出。苦荞种质在蛋白质、碳水化合物和芦丁等营养成分含量上普遍高于普通荞麦。

这些结果表明，荞麦种质资源具有丰富的遗传多样性，通过多性状综合评价可以有效筛选出高产、稳产且营养品质优良的基因型，为荞麦育种和产业化开发提供了重要的理论和材料基础。

主要技术方法

研究人员在印度梅加拉亚邦的ICAR-NEH区域研究中心的植物育种农场进行了田间试验，采用增广设计种植102份荞麦基因型。农艺性状包括株高、叶片长宽、种子大小、单株种子数、单株产量等；生化分析采用Anthrone法测碳水化合物、Lowry法测蛋白质、Wheeler和Ferrel法测植酸；分子标记使用69对SSR引物进行PCR扩增和凝胶电泳分析；数据分析使用R软件进行变异统计、相关性、通径分析、聚类、PCA和AMMI模型分析。

荞麦种质农艺形态性状评价

基因型在农艺性状上表现出广泛变异。50%开花天数范围为29.0至57.0天，80%成熟天数范围为76.0至103.0天，株高变异范围为20.33至89.67厘米，单株种子数介于9.67至424.67之间，单株产量变异范围为0.20至10.19克。苦荞品种在产量上普遍高于普通荞麦，其中IC16550、IC37275和IC26595等基因型产量最高。遗传参数分析表明，单株产量、单株种子数和叶柄长度具有较高的表型变异系数（PCV）和基因型变异系数（GCV），且遗传力较高，说明这些性状受环境影响较小，可通过选择进行遗传改良。

基于质量性状的评价

质量性状分析将种质分为普通荞麦和苦荞两个物种。普通荞麦茎色为粉色，花为粉色，种子形状多为锥形或卵形，种皮颜色以斑驳色为主；苦荞茎色为绿色，花为黄绿色，种子形状多为三角形，种皮颜色以灰色为主。叶片形状包括戟形、心形、卵形和箭形，种子形状分为锥形、卵形和三角形。这些形态特征为种质分类和鉴别提供了直观依据。

遗传变异参数评估

遗传变异分析显示，单株产量的表型变异系数（PCV）和基因型变异系数（GCV）最高，分别为74.12和70.30，表明该性状具有较大的遗传改良潜力。株高和单株种子数的遗传力最高，分别为96.87和93.44，说明这些性状遗传稳定性强。百粒重、种子长度、叶片长度等性状的PCV和GCV值接近，表明环境对这些性状影响较小。

产量及相关性状的相关性研究

Pearson相关性分析表明，单株产量与花序长度、百粒重、50%开花天数和80%成熟天数呈显著正相关，与种子长度和宽度呈显著负相关。株高与单株种子数、产量、叶柄长度、花序长度及开花成熟天数显著正相关。这些结果为进一步育种选择提供了理论依据。

通径分析

通径分析显示，单株种子数对产量的直接正向效应最大（0.9161），其次是百粒重（0.3094）。叶柄长度、叶片宽度、种子长度和80%成熟天数也显示正向直接效应，而叶片长度、株高、50%开花天数、种子宽度和花序长度则表现为负向直接效应。间接效应分析揭示了性状间复杂的相互作用关系。

基于数量性状的聚类分析

基于欧氏距离的聚类分析将102份基因型分为5个主要类群。第V类群包含24份基因型，在产量及相关性状（株高、叶片长宽、单株种子数和产量）上表现最优，平均单株种子数达161.01，平均单株产量为3.36克。第III类群在百粒重上表现最佳（2.37克），第II类群在种子长度和宽度上最大。聚类结果反映了基因型间的形态多样性及其与地理来源的弱相关性。

主成分分析（PCA）

主成分分析前三个成分解释了总变异的61.05%，其中PC1（23.53%）主要受单株种子数和单株产量贡献，PC2（20.71%）主要受株高和叶柄长度贡献，PC3（16.81%）主要受叶片长宽贡献。极端基因型如IC37307、IC37292、IC16550等位于PCA双图边缘，表明这些材料具有较高的遗传多样性和产量潜力。

AMMI模型稳定性分析

AMMI方差分析显示，基因型、环境和基因型×环境互作（GEI）对所有12个农艺性状均有显著影响。GEI被分解为两个主成分轴（IPCA），累计解释100%的变异。基于AMMI双图，基因型IC16550在三个环境中均表现高产且稳定，其他如IC13139、IC37280和EC18751也表现出良好的稳定性和产量潜力。不同AMMI稳定性参数（如MASI、ZA、MASV、SIPC）鉴定出IC37280、IC17371、IC26594等为最稳定基因型。

多性状稳定性指数（MTSI）

MTSI分析基于探索性因子分析（EFA）提取的五个因子（累计方差贡献率68.51%），将12个性状分为五组：FA1（单株种子数和单株产量）、FA2（开花天数、株高和成熟天数）、FA3（百粒重和叶片宽度）、FA4（叶片长度和叶柄长度）和FA5（种子长度、种子宽度和花序长度）。以20%选择强度筛选出15个最优基因型，包括IC37275、IC26592、Local teethey、Shimla B-1等，这些基因型在多个性状上均表现稳定和高产。

基于SSR标记的荞麦基因型分子表征

69对SSR引物中有65对（94.2%）扩增良好，41对（59.42%）显示多态性。共检测到172个等位基因，平均每个位点2.65个等位基因。等位基因有效数为1.10至2.78，平均1.62。主要等位基因频率介于0.446至0.814之间，观察杂合度平均为0.082，多态信息含量（PIC）平均为0.409。标记Fes3164和Fem2751的PIC值最高（0.564和0.551），表明这些标记具有较高的鉴别能力。

基于Nei遗传距离的聚类分析将基因型分为5个类群，类群分布与地理来源无显著相关性，表明荞麦种质存在广泛的基因流和遗传混合。分子方差分析（AMOVA）显示，84%的变异存在于群体内个体间，14.44%存在于群体内个体内，仅1.56%存在于群体间，说明遗传变异主要来自群体内差异。

主坐标分析（PCoA）前三个坐标累计解释25.87%的变异，双图显示普通荞麦和苦荞种质明显分为两个遗传组群，但存在部分基因型（如IC16558、EC18653）位于中间位置，表明两个物种间存在基因渗入和遗传混合。

基于模型的群体结构分析（STRUCTURE）在K=2时将基因型分为两个亚群，分别对应普通荞麦和苦荞物种。普通荞麦群体中存在较多混合基因型（admixtures），这可能与其自交不亲和特性有关。苦荞群体结构相对纯净。

荞麦基因型的生化特性

10个极端基因型的生化分析显示，总蛋白质含量变异范围为5.88%至11.45%，苦荞品种Local teethey含量最高（11.45%）；总碳水化合物含量介于55.5%至72.5%之间，IC107963含量最高（72.5%）；植酸含量变异范围为0.48至1.23克/100克，Himpriya含量最高（1.23克/100克）。所有营养性状在苦荞中均高于普通荞麦，且三者间呈显著正相关。这些性状与开花成熟天数显著正相关，但与产量相关性不显著。

研究结论与意义

本研究系统评估了102份荞麦种质的农艺形态、分子和生化多样性，揭示了丰富的遗传变异和种群结构特征。通过多性状综合评价，鉴定出多个高产、稳产且营养品质优良的基因型，如IC16550、IC26586、Shimla B-1和Local teethey等。这些基因型在产量、适应性和营养品质方面表现突出，具有重要的育种应用价值。

研究发现，苦荞种质在营养品质（蛋白质、碳水化合物和生物活性物质含量）上普遍优于普通荞麦，但普通荞麦在产量潜力上更具优势。分子标记分析表明，荞麦种质具有较高的遗传多样性，且遗传变异主要存在于群体内，这为未来育种中的亲本选配和杂种优势利用提供了理论基础。

AMMI和MTSI分析为多环境下的基因型稳定性评价提供了有效工具，筛选出的稳定基因型能够适应不同环境条件，有利于荞麦品种的区域化推广。研究结果还表明，通过综合农艺性状、分子标记和生化品质分析，可以实现荞麦种质的快速鉴定和高效利用。

该研究不仅为荞麦遗传改良提供了重要的种质资源和理论依据，也为其他未被充分利用作物的开发提供了参考模式。未来研究应侧重于这些优良基因型的分子机制解析、重要功能基因挖掘以及品种培育，以进一步推动荞麦产业的发展和营养安全目标的实现。