豇豆（Vigna unguiculata L. Walp.）种子大小性状的世代平均分析、遗传变异、进展及杂种优势

《Ecological Genetics and Genomics》：Generation Mean Analysis, Genetic Variability, Advance, and Heterosis for Seed Size Traits in Cowpea (Vigna unguiculata L. Walp.)

基因遗传分析揭示菜豆杂交后代种子体积、百粒重等性状的显隐性效应及遗传互作规律，F1代杂种优势显著，但部分性状存在负效应，高遗传力（94.4%-98.4%）表明早代选择能有效提升育种效果。

　　

弗雷德里克·贾斯蒂斯·阿武库（Frederick Justice Awuku）|弗朗西斯·库西（Francis Kusi）|约翰·萨维耶尔·埃莱布鲁（John Saviour Eleblu）|艾萨克·阿桑特（Isaac Asante）|夸德沃·奥福里（Kwadwo Ofori）|约瑟夫·阿莱穆·贝克勒（Yosef Alemu Bekele）|帕特里克·阿塔马（Patrick Attamah）|埃马纽埃尔·亚乌·奥乌苏（Emmanuel Yaw Owusu）|格洛丽亚·门萨（Gloria Mensah）|萨利姆·拉米尼（Salim Lamini）|维多利亚·德多·拉韦（Victoria Dedoe Larweh）

加纳萨凡纳农业研究所（CSIR-Savanna Agricultural Research Institute），塔马莱（Tamale），邮政信箱TL 52

摘要

全面了解基因作用、杂种优势（heterosis）和遗传进展对于有效改良豇豆性状至关重要。本研究利用四种豇豆杂交组合（Wang Kae × SpM028、KT × SpM028、Bigbean × BR 和 Agyenkwa × Padituya）来探讨种子大小及相关性状的遗传规律。每个杂交组合的六代后代（P₁、P₂、F₁、BC_1:1、BC_1:2、F₂）在随机完全区组设计（randomised complete block design）中进行了评估，每个处理重复三次。结果显示各代之间存在显著差异，表明性状在不同世代间具有变异性。F₁代的表现介于亲本均值之间，这体现了加性等位基因效应（additive allelic effects）。所有性状均表现出正的中亲杂种优势，表明通过选择有望实现性状改良；然而，某些性状表现出负的杂种劣势（negative heterobeltiosis）。世代均值分析显示了显著的加性效应（a）和显性效应（m），同时加性与显性的上位交互作用（ad）也起到了关键作用。例如，种子体积主要受加性与显性效应影响，而百粒种子重量在不同杂交组合中表现出不同的上位效应。虽然部分性状存在互补作用，但重复出现的上位基因效应较为普遍。除Wang Kae × SpM028组合的百粒种子重量外，大多数性状均表现出正的显性效应。高遗传力和遗传进展表明通过选择具有很大的改良潜力。

部分内容摘录

背景

豇豆（Vigna unguiculata L. Walp [2n=2x=22]，基因组大小640.12Mb [1]）是一种营养价值高的多用途豆科植物，在撒哈拉以南非洲地区尤为重要[2]。其富含蛋白质（>23%）的干豆[3]是重要的食物来源。通过与根瘤菌的共生关系，豇豆每公顷可固定高达80%的氮素，从而提高后茬作物的产量[4]、[5]、[6]。全球豇豆种植面积达1250万公顷，年产量约为740万吨[7]、[8]。

实验地点

该实验于2023年在加纳上东部地区的CSIR-SARI Manga站进行。该地点位于北纬11°01’、西经00°16’，海拔249米。该地区的降雨模式为单峰型，雨季从5月持续到9月，年平均降雨量为141毫米[41]。

实验材料

本实验使用了四种杂交组合：Wang Kae × SpM028（组合1）、KT × SpM028（组合2）和Bigbean × BR

方差分析和平均表现

对所有四个杂交组合的六代后代的方差分析（ANOVA）显示，所有研究性状的均方值存在显著差异（p < 0.05，见表3）。对非分离代的进一步分析表明，所研究性状的变异较小。图1和补充表格1展示了所有四个杂交组合中基础世代的平均表现。

显性比例

在组合1中，十个研究性状中有七个的显性程度介于+1到-1之间。然而，某些性状超出了这一范围，例如每荚种子数（1.52）、首次开花天数（1.13）和种子密度（-1.07）。F1和F2代的大多数性状显性程度都在+1到-1的范围内。值得注意的是，组合1中的种子体积和百粒种子重量表现出对劣势亲本的偏显性。

遗传力和遗传进展

大多数研究性状的遗传力都很高。组合1的百粒种子重量的狭义遗传力最高，为94.4%；种子密度的广义遗传力最高，为98.4%。与种子大小直接相关的性状（如种子长度、宽度、厚度和体积）均具有较高的广义和狭义遗传力。其他三个杂交组合也表现出类似的结果。

世代的平均表现

在作物改良过程中，亲本间的显著差异对于获得理想的子代基因组合至关重要[46]。在本研究中使用的四个杂交组合中，每个亲本对之间的性状存在显著差异。因此，亲本的选择非常谨慎，以满足研究目标。在世代均值分析中，基础世代被分为分离世代（BC₁、BC₂和F₂）和非分离世代。

结论

了解基因作用对作物遗传改良至关重要。四个杂交组合的世代平均表现均显示出显著差异。大多数性状表现出中亲杂种优势，这可以为豇豆改良提供潜力。研究性状表现出显著的加性效应（可固定）和上位交互作用（不可固定等位基因）。因此，早期选择将有助于这些性状的改良。特别是大种子大小的性状。

作者贡献声明

夸德沃·奥福里（Kwadwo Ofori）：撰写、审稿与编辑、项目监督。约瑟夫·阿莱穆·贝克勒（Yosef Alemu Bekele）：数据可视化、软件处理、统计分析。帕特里克·阿塔马（Patrick Attamah）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、数据管理。萨利姆·拉米尼（Salim Lamini）：撰写、审稿与编辑、方法学设计、数据管理。维多利亚·德多·拉韦（Victoria Dedoe Larweh）：撰写、审稿与编辑、软件处理、数据管理。埃马纽埃尔·亚乌·奥乌苏（Emmanuel Yaw Owusu）：撰写、审稿与编辑、软件处理、方法学设计。格洛丽亚·门萨（Gloria Mensah）：撰写、审稿与编辑、结果验证。

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期刊的研究结果。

致谢

我们感谢本文中引用的所有作者。FJA感谢德国学术交流服务中心（DAAD）对其博士研究提供的支持，该手稿便是这项研究的成果。同时感谢西非作物改良中心和加纳大学提供的知识支持，也感谢CSIR-Savanna农业研究所Manga站工作人员在实验期间的协助。