印度喜马拉雅萝卜（Raphanus sativus L.）种质资源遗传与生化性状多样性及优异育种候选基因型鉴定

《Discover Plants》：Genetic and biochemical traits diversity in germplasm of Indian Himalayan radish (Raphanus sativus L.)

　　

研究人员在连续两年（2021–22和2022–23）评估了67份萝卜（Raphanus sativus L.）基因型，以评价重要形态、产量和生化性状的遗传变异，并鉴定可用于作物改良的响应型基因型。合并方差分析（analysis of variance, ANOVA）显示，根长、根宽、植株开展度、开花天数、抽薹天数、单株根产量、总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）以及抗氧化相关性状如DPPH、FRAP、ABTS和总抗氧化活性（total antioxidant activity, TAO）存在极显著差异，表明种质内存在丰富的固有多样性。主成分分析（principal component analysis, PCA）显示，前两个主成分分别解释总变异的16.47%和12.76%。PC1主要与形态、发育和产量相关性状有关，而PC2主要与单株根产量、根重%和全株重有关，表明遗传变异分布于多个农艺和生化性状中。层次聚类将基因型分为4个不同类群；由Dunagiri NSP和Dunagiri Mandir组成的第III类群具有高度分歧，并在根产量及相关性状上表现优异，其余类群则代表营养生长和生化性状的变异。相关分析显示，根产量与全株重、叶柄长、叶柄厚度和根重%呈正相关，但与抗氧化性状呈负相关，表明在评价种质中可能存在反向关联。总体而言，所鉴定的多样且表现优异的基因型，包括Dunagiri NSP、Dunagiri Mandir、IC 391,218、IC 255,478和IC 391,330，可作为萝卜改良的有用遗传资源和育种候选。

萝卜（Raphanus sativus L.）属十字花科（Brassicaceae），是快速生长、营养丰富的根菜，广泛栽培于中国、日本、韩国、印度和东南亚。印度被认为是萝卜尤其热带类型的主要起源和多样性中心，其根形、根大小、色素、辛辣味、抽薹行为、成熟期和适应环境存在丰富变异。作物改良成功依赖基础群体中可利用的遗传变异。萝卜多用途，可作根菜、叶片、嫩荚、种子、油、饲料、覆盖作物和药用。根低热量，富含膳食纤维、维生素C、叶酸和抗氧化剂，包括硫代葡萄糖苷和异硫氰酸酯，具抗癌、抗炎和解毒特性。叶富含铁、钙和维生素A。生物活性化合物如萝卜硫素、花青素和过氧化物酶可提高功能食品价值。因此，萝卜改良不应仅限根产量和外部外观，也应关注维生素C、总可溶性固形物（total soluble solids, TSS）、硫代葡萄糖苷、花青素、叶绿素、类胡萝卜素、酚类和抗氧化活性。传统育种多关注根形态、产量、早熟性、一致性、抗抽薹、抗病虫害和特定季节适应性。印度喜马拉雅地方种质在长日照山区农业生态系统中尚未充分挖掘，具有延迟抽薹、耐寒、根品质优等潜力。关键性状包括晚抽薹、根发育均匀、货架期长、抗病虫害和营养含量增加，尤其硫代葡萄糖苷、维生素C和矿质积累。类似喜马拉雅种质研究显示，山地地方品种常含重要农艺、适应和生化变异。但喜马拉雅萝卜种质仍表征不足，主流育种利用少。以往研究报道了萝卜种质形态、产量和生化性状多样性，但许多研究分开评价形态或生化性状，较少整合园艺、产量和生化性状来鉴定有潜力基因型。整合评估对捕获高产和营养品质育种价值关键。近期研究强调抗氧化和营养性状是改良功能食品价值和消费者偏好的重要育种目标。多变量方法如主成分分析（principal component analysis, PCA）、层次聚类和相关分析有助于确定变异主要来自产量、营养生长、根形、生化品质或地理背景。因此，研究人员分析印度喜马拉雅萝卜种质形态、产量和生化变量遗传多样性，以发现遗传多样且具有理想园艺和营养特性的材料。研究人员在2021–22和2022–23连续两年评估67份萝卜基因型，评价重要形态、产量和生化性状遗传变异并鉴定响应型基因型。结论是种质内存在丰富固有多样性；前两个主成分解释29.20%总变异；层次聚类形成四类，Cluster III的Dunagiri NSP和Dunagiri Mandir高度分歧且根产量及相关性状优异；根产量与全株重、叶柄长、叶柄厚和根重%正相关，与抗氧化性状负相关。意义是Dunagiri NSP、Dunagiri Mandir、IC 391,218、IC 255,478和IC 391,330等可作遗传资源和育种候选。

关键技术方法概括：研究人员从NBPGR, New Delhi（15份）、NBPGR Regional Station, Bhowali, Uttarakhand（40份）、CITH Regional Centre, Muktheshwar, Uttarakhand（1份）以及Uttarakhand的Kumaon（5份）和Garhwal（7份）地方收集，共67份萝卜材料，82%来自政府研究机构，18%来自印度Uttarakhand田间考察。试验在ICAR-Vivekananda Parvatiya Krishi Anusandhan Sansthan, Hawalbagh, Uttarakhand, India（29°36′N, 79°40′E, 1250 amsl）进行。每材料三行区，行长2.40 m、宽1.35 m，行距45 cm、株距30 cm，种子播于垄上1.5 cm深。记录27个数量性状，采用随机完全区组设计（randomized complete block design, RBD）两年重复。两年基因型合并均值标准化后用于PCA、Ward法层次聚类和相关分析；使用R软件及metan、factoextra、ggplot2、devtools和PAST version 4等。生化性状包括总多酚、DPPH、TAO、FRAP、ABTS、总叶绿素和总类胡萝卜素等。

3.1 Descriptive analysis：合并方差分析（analysis of variance, ANOVA）显示萝卜基因型在多个农艺和生化性状上差异显著。种子单株产量（seed yield per plant, SYP）均方872.55，根宽（root width, RW）466.85，总抗氧化活性（total antioxidant activity, TAO）426.81，铁还原抗氧化能力（ferric reducing antioxidant power, FRAP）314.57，DPPH 285.49，植株开展度（plant spread, PS）225.64，表明变异大。开花天数（days to flowering, DTF）139.74、抽薹天数（days to bolting, DTB）114.30、ABTS 88.36、株高（plant height, PH）50.32也显示显著基因型效应。发芽天数（days to germination, DTG）5.13–9.87 d，均值7.12 d；PH 25.14–43.10 cm；PS 38.50–69.37 cm；全株重（whole-plant weight, WPW）均值248.70 g；单株叶产量（leaf yield per plant, LYP）和单株根产量（root yield per plant, RYP）均值118.91 g和129.83 g；叶重%（leaf weight%, LW%）均值49.92%，根重%（root weight%, RW%）均值50.11%。DTB 55.83–99.17 d，均值75.94 d；DTF均值72.70 d，最高110.75 d；根长10.95–24.90 cm；根宽2.38–7.00 cm；叶片数9.40–37.30；TSS均值7.65 °Brix，范围6.01–10.19 °Brix。总多酚（total polyphenols, TP）0.48–1.46 mg GAE/g DW，均值0.88；ABTS抑制48.61–69.01%，均值57.15%；TAO 20.53–69.69 mM Trolox/g DW；FRAP 22.72–76.23 mM FeSO₄ equivalent/g DW；总叶绿素（total chlorophyll, TC）0.71–2.95 mg/g，均值1.54 mg/g。结论：存在可利用遗传多样性。

3.2 Genetic parameter analysis：报告遗传变异系数（genotypic coefficient of variation, GCV）、表型变异系数（phenotypic coefficient of variation, PCV）、广义遗传力（broad-sense heritability）、遗传进度（genetic advance, GA）和遗传进度占均值百分比（genetic advance as percent of mean, GAM）。PCV略高GCV，表明环境影响，但GCV-PCV接近表明遗传控制强。2021–22 GCV 8.13–76.96%（TSS到SYP），PCV 9.25–77.26%（DTF到SYP）。高GCV和PCV见于PL、PW、RW、NL、WPW、LYP、RYP、LW%、RW%、PLen、SYP、TP、TAO、FRAP、TC、TCA。高遗传力与高GAM见于SYP、RYP、WPW、NL、LYP、RW%、LW%、FRAP、TP、TAO、TCA、TC、RW、PL、PW、PLen。第2年GCV 0.00%（DTG）到73.09%（SYP），PCV 5.46%（ABTS）到73.28%（SYP）；DTG遗传方差可忽略，GCV和GA为零。高GCV和PCV主要见于WPW、LYP、RYP、LW%、RW%、SYP、TP、TAO、FRAP、TC、TCA。除DTG和PLen外遗传力高。GAM最高为SYP、RYP、WPW。合并分析GCV 0.95%（ABTS）到75.05%（SYP），PCV 6.48%（ABTS）到75.17%（SYP）。高合并GCV和PCV见于WPW、LYP、RYP、LW%、RW%、PLen、SYP，以及TC、TCA。合并遗传力2.13%（ABTS）到99.67%（SYP），GAM 0.28%（ABTS）到154.34%（SYP）。SYP、RYP、WPW、LYP、LW%、RW%、TC、TCA高变异、高遗传力和高GAM，适合直接选择。

3.3 PCA and biplot analysis：PCA前两主成分合计29.20%，PC1 16.47%，PC2 12.76%，表明变异分散。PC1正载荷包括SYP、DTG、PH、PS、PL，负为DPPH、TAO、FRAP；PC2主要与RYP、RW%、WPW相关，负为LW%、PW、PT；PC3主要TC、TCA、RW，负为PH、LYP、LW%；PC4主要ABTS、FRAP、TP；后续成分捕获DTB、NL、PT等。基于Cos²值，LW%、DPPH、FRAP、TAO在PCA空间表示良好；RYP、WPW、RW%、SYP、DTG在特定主成分中表示显著。基因型36（IC 391218）、27（IC 341190）、30（IC 356498）、37（IC 391330）、39（IC 391583）Cos²高，在PCA空间表示好，对分化贡献大。

3.4 Hierarchical cluster analysis：67份材料分为4类，分别40、17、2、8份，占59.70%、25.37%、2.99%、11.94%。平均轮廓宽度0.078，k=3最大为0.129；I、II、III、IV轮廓值0.088、0.180、0.288、0.011，聚类分离弱，但III分离较好。因此作为探索性分组。Cluster I最大40份，形态和生化中等至高，遗传基础宽，利于选择和重组育种。Cluster II 17份，根和产量相关中等至良好，生化平衡，有选择潜力。Cluster III包括Dunagiri NSP和Dunagiri Mandir，在树图中较独特，根产量及相关性状高，包括根长、根宽、根重，可作高产亲本。Cluster IV 8份，营养生长较好，多来自Uttarakhand Chamoli地区，暗示地理起源影响遗传相似性。

3.5 Trait association study：相关分析显示RYP与WPW、PL、PT、RW%正相关，可作为根产量间接选择指标，但非因果关系。RYP与DPPH、TAO、FRAP负相关，表明高产与抗氧化性状在评价种质中弱或不一致关联。抗氧化性状DPPH、TAO、FRAP、ABTS正相关，协调变化。聚类热图显示基因型在营养、生化和产量相关变量间广泛变异，有些基因型抗氧化强，有些产量性状高，支持多维变异。

讨论：两年评估67份材料，形态和生化多样性显著，可作育种资源，改良产量、营养和市场性状。ANOVA显示所有研究性状基因型间极显著差异（P≤0.01），存在丰富遗传变异。株高、根长、根直径等形态和TSS、维生素C、抗氧化活性等生化差异显著。生长和根形态变异有利于选择适应不同农艺条件和市场偏好的基因型。GCV高表明遗传因素大于环境。PCV多数高于GCV但差异窄，表明遗传控制强、表型选择有效。高GCV和PCV见于SYP、RYP、WPW、LYP、LW%、RW%，选择空间大。高遗传力结合高GAM表明加性基因作用，适合直接选择。TC和TCA高遗传进展表明可同时改良生化品质和产量。低遗传进展或不稳定性状可能受基因型×环境互作影响，需多年多点评价。SYP、RYP、WPW、LYP、LW%、RW%、TC、TCA是可靠选择标准。层次聚类显示基于农艺和生化性状的遗传分歧，区分产量潜力、营养生长和遗传背景。Cluster III高产、分歧大。Cluster IV多来自Chamoli，地理起源影响相似性，营养生长好。Cluster I变异广。Cluster I与IV或III杂交可能结合高产、适应性和多样性。高产Dunagiri NSP和Dunagiri Mandir可作根产量和根大小供体，高抗氧化或延迟抽薹材料贡献品质和适应性。PCA和聚类一致提高鉴定可靠。PC1形态和产量，抗氧化性状与其对比；PC2根产量、根重%、全株重。前两主成分解释29.20%，变异分散。Cos²显示LW%、DPPH、FRAP、TAO和总花青素是重要贡献因子；IC 391,218、IC 341,190、IC 356,498、IC 391,330和IC 391,583高Cos²。相关分析正相关，抗氧化性状正相关，RYP与抗氧化负相关，也见于印度芥菜、大蒜和caigua。维生素C、叶绿素、总类胡萝卜素与发芽、开花天数无明显关系，暗示独立遗传控制，可提高营养不影响物候。与Mashkey et al.、Manzoor et al.、Kim et al.、Kurina et al.、Lu et al.和Singh et al.等报道一致。未来结合表型选择和现代分子工具、基因组选择，可加速高产、营养丰富、本地适应品种开发。

结论翻译：综合方差分析（ANOVA）、聚类、主成分分析（PCA）和相关分析的结果表明，萝卜种质在农艺和生化性状上存在相当大的遗传多样性。这些分析指出了在园艺性状上具有前景的基因型，例如高根产量（Dunagiri NSP）、高叶产量（IC 255478）、晚抽薹（Dev Prayag collection）和优越抗氧化活性（Mukteshwar collection）；然而，这些发现需要在不同环境下进一步验证。不同的聚类模式和关键PCA贡献因子突出了在杂交中组合互补性状的机会。产量与抗氧化性状之间的负相关表明可能存在反向关联，需要谨慎的育种策略，而物候和生化性状的独立性表明可以在不影响成熟期的情况下改良营养品质。这些基因型可作为萝卜改良的潜在供体种质资源。未来的萝卜改良计划应将表型选择与现代分子工具和基因组选择相结合。这些方法有助于鉴定和导入与根产量、抽薹行为、抗氧化活性和生化品质相关的等位基因，从而加速高产、营养丰富和本地适应萝卜品种的培育。