辣椒机械化收获相关性状的遗传解析与优良基因型筛选

为解决美国辣椒人工采摘成本高、劳动力短缺问题，新墨西哥州立大学研究人员开展辣椒机械化收获性状遗传结构研究。运用多种分析方法，发现果实形态等性状的重要性，筛选出 10 个基因型。该研究为辣椒育种提供依据，助力培育适宜机械化收获的品种。

　　辣椒，这种在美食界占据重要地位的作物，不仅为人们的餐桌增添了丰富的风味，还在工业和医疗保健领域有着广泛的应用。在美国西南部，辣椒的种植更是具有重要的经济和文化价值，其中新墨西哥州是美国最大的非甜椒生产地。然而，辣椒采摘却面临着巨大的挑战。人工采摘成本高昂，且随着劳动力市场的变化，熟练劳动力的短缺问题日益严重。据估算，美国西南部约 40 - 50% 的辣椒生产成本归因于人工采摘。同时，移民法律和劳动法案的改革也使得采摘季节的劳动力供应充满不确定性，这直接导致美国辣椒种植业规模不断缩小，当地种植者在与进口辣椒的竞争中逐渐处于劣势。因此，推动辣椒采摘的机械化进程成为维持美国辣椒生产可持续发展的关键。

为了解决这些问题，新墨西哥州立大学（New Mexico State University）的研究人员开展了一项深入研究。他们旨在探究辣椒机械化收获相关性状的遗传结构，并筛选出适合作为亲本的基因型，以培育出更适宜机械化采摘的辣椒品种。该研究成果发表在《Scientific Reports》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们选取了一个包含 77 个基因型的辣椒（C. annuum L.）群体（C. annuum L. panel，CAP），并将其种植在新墨西哥州立大学农业科学中心的试验田中。在种植过程中，采用了增广区组设计（augmented block design），并设置了多个重复对照。在数据收集阶段，研究人员对植株结构、果实脱梗、果实形态和产量等多方面的性状进行了详细测量。之后，运用 R 软件中的多个相关软件包，进行了方差分析（ANOVA）、遗传力和相关性分析、聚类分析（HCA）以及主成分分析（PCA）等一系列复杂的统计分析。

研究结果如下：

1. 表型多样性和遗传力：通过方差分析发现，辣椒群体在植株结构、果实脱梗、果实形态和产量等参数上存在显著的表型差异。其中，果实脱梗和果实形态的表型多样性最为明显，而产量参数的变异性相对较小。在遗传力方面，除了部分植株结构和产量相关性状外，大多数性状的窄义遗传力（h2）呈现中等到较高的水平，这表明这些性状受加性遗传效应的影响较大，通过选择优良基因型来改良这些性状具有较高的可靠性12。
2. 遗传相关性和性状关联网络：研究发现，植株结构、果实脱梗、果实形态和产量相关性状之间存在复杂的相关性。果实形态相关性状之间大多呈显著正相关；植株结构中，除了距离第一节间（DTFN）与基部侧枝数量（NBB）呈负相关外，其他性状之间多为正相关。果实脱梗力和脱梗评级之间呈负相关，且它们与植株结构大多呈负相关，与果实形态则有不同程度的正负相关。产量参数与果实脱梗评级和果实形态呈正相关，与植株结构和脱梗力呈负相关。遗传相关性分析进一步表明，果实脱梗力与植株高度（PHT）、植株宽度（PWDT）和基部侧枝数量（NBB）呈负遗传相关，与最大果实长度（MAXH）和最大果实宽度（MAXW）呈正遗传相关34。
3. 层次聚类分析：利用肘部法（Elbow method）进行层次聚类分析（HCA），确定了 8 个最优聚类。其中，聚类 2（CLU2）和聚类 6（CLU6）在果实脱梗、植株结构和果实形态等方面表现出更适合机械化采摘的特征。CLU2 具有较高的植株高度、较少的基部侧枝、适中的脱梗力和较低的脱梗评级，且果实形态符合新墨西哥州辣椒的典型特征，产量也较高。CLU6 虽然果实长度和宽度相对较短，但在脱梗和植株结构方面也具有一定优势56。
4. 主成分分析：主成分分析（PCA）显示，前 5 个主成分解释了 75% 的变异。主成分 1（PC1）与果实形态、果实脱梗和产量相关性状有较强的正相关，主成分 2（PC2）则更多地解释了与植株结构相关的表型多样性。基因型 - 性状双标图分析进一步验证了 HCA 的结果，发现来自 HCA 中聚类 5 和 6 的基因型位于 “良好” 类别椭圆内，靠近脱梗力和果实形态特征向量，表明它们适合机械化采摘78。
5. 果实脱梗模式的轮廓分析：对聚类 2 和 6 进行果实脱梗模式的轮廓分析发现，果实长度和宽度与脱梗力呈正相关，较低的脱梗力与较小的果实和较少的基部侧枝相关，而较高的脱梗力与较高的植株高度相关，但同时可能伴随着不可接受的高脱梗评级910。

综合研究结果与讨论部分，该研究具有重要意义。一方面，研究揭示了辣椒机械化收获相关性状的遗传结构，明确了各性状之间的相互关系，为辣椒育种提供了理论基础。例如，了解到果实脱梗力与植株结构的负遗传相关性，育种者在选择低脱梗力的品种时，可以预期植株结构会向更适合机械化采摘的方向发展。另一方面，筛选出的如 GBS030、GBS033 等 10 个具有潜在机械化收获特性的基因型，可作为亲本用于培育更适宜机械化采摘的辣椒品种，有助于推动美国辣椒种植业向机械化方向转型，提高生产效率，降低生产成本，增强美国辣椒产业在全球市场的竞争力。