《Agroforestry Systems》：A common-garden evaluation of geographically diverse American elderberry genotypes selected for varying polyphenol profiles
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美国接骨木莓（Sambucus nigra subsp. canadensis）是一种日益流行的特种经济作物，主要在北美种植，其花和果实用于膳食补充剂和食品。接骨木莓是一种多用途灌木物种，在各种农林复合系统中具有极佳的适用性，并提供重要的生态系统服务。目前对美
美国接骨木莓（Sambucus nigra subsp. canadensis）是一种日益流行的特种经济作物，主要在北美种植，其花和果实用于膳食补充剂和食品。接骨木莓是一种多用途灌木物种，在各种农林复合系统中具有极佳的适用性，并提供重要的生态系统服务。目前对美国接骨木莓的遗传多样性知之甚少，尤其是在园艺性状和有益代谢产物方面。此前一项研究对美国东部和中西部的野生种质资源进行了采样，分析了这些样本果实的多酚谱，随后收集了目标种质材料的繁殖体以供进一步研究。研究人员将18个地理来源多样的种质材料及3个标准栽培品种引入美国密苏里州西南部的重复随机同园种植实验（common-garden plantings）中，旨在评估遗传多样性、育种潜力以及遗传和环境因素对多酚谱的影响。研究人员对四年间的园艺学数据进行量化，并对两年间的果实样本进行了多酚谱分析。大多数园艺性状参数在基因型、地点和年份因素间均存在显著差异。在基因型间，萌芽期差异达32天，盛花期差异达21天。株高在基因型间也表现出显著变异，范围为0.96–1.84 m。需要指出的是，这些种质材料是根据植物化学多样性而非园艺潜力选出的，果实产量范围为0.72–5.88 kg/小区（小区面积= 2.23 m2，含两株植株）。在定量分析的5种花青素和7种黄酮醇/苯丙素类化合物中，所有代谢产物的产生量在基因型间均存在统计学显著差异。本研究对美国接骨木莓在园艺学和代谢组学因素方面的遗传多样性进行了系统评估，凸显了育种者在作物持续发展过程中选择各种目标性状的潜力。
**论文解读：美国接骨木莓遗传多样性的同园实验评估**
**一、研究背景与科学问题**
美国接骨木莓（*Sambucus nigra* subsp. *canadensis*）是北美中部和东部地区近15年来快速兴起的重要特种经济作物，其果实和花在历史上和当代均被用于食品和医药用途。当前最主要的市场是种类繁多的膳食补充剂产品，北美消费者对本地生产的美国接骨木莓产品需求旺盛。然而，北美市场上销售的接骨木莓产品大部分从欧洲进口，以欧洲接骨木莓（subsp. *nigra*）为原料。接骨木莓果实和花含有多种对人类健康有益的生物活性代谢产物，具有缓解鼻窦充血、咽喉痛等症状以及预防和治疗便秘、糖尿病等疾病的药用价值。已有研究证实接骨木莓能抑制流感病毒繁殖，多项临床试验发现其能减轻感冒和流感的症状严重程度并缩短病程。花青素、多酚和维生素被认为是接骨木莓中最有益于健康的化合物。
尽管已有若干研究揭示了不同环境下不同接骨木莓基因型之间多酚及其他代谢产物产生的差异，但关于遗传、环境和果园管理因素如何影响消费者更具吸引力、更有益且更具市场价值的补充剂产品，仍需更多研究。此前一项研究（Mudge et al. 2016）调查了美国东部和中西部大部分地区的野生接骨木莓种质资源，采集了利用全球定位技术单独识别植株的成熟果实。研究注意到基因型之间代谢产物产生存在一定差异，通常在大地理区域之间有所不同，尤其表现为纬度差异。但该研究无法辨别这些差异究竟归因于遗传、环境还是两者共同作用。因此，本研究选取了该研究中部分种质材料进行后续分析，以确定多酚谱的差异是遗传性质的，还是可归因于地点间的环境差异（或两者兼有）。
同园实验（common-garden experiment）通常是将来自不同环境的多种不同植物基因型并列种植，在共同的环境和管理条件下生长。同园种植可以消除大部分环境变异性，有助于区分影响不同基因型表型表达的遗传因素和环境因素。研究人员的策略是将Mudge等人（2016）研究中选定的地理多样化的接骨木莓基因型汇集到并排、重复、随机化的种植区中进行评估，以识别和区分基因型间一些基于遗传的园艺学和代谢组学差异。
**二、研究材料与方法**
研究人员首先从Mudge等人（2016）前期研究的美国东部和中西部18个州的107份野生美国接骨木莓种质材料中，根据其代谢产物谱特征（考虑离群值、具有独特谱系的个体以及特定代谢物水平极高或极低的个体）筛选出18份克隆种质材料。这些种质材料在2014年1月和2015年1月通过采集休眠枝条进行无性繁殖，并在密苏里大学西南研究推广教育中心（SWC）温室中生根。同时，将标准栽培品种‘Bob Gordon’、‘Ozark’和‘Wyldewood’作为对照/基准基因型纳入研究，共21个基因型。
研究在密苏里州西南部两个果园地点进行：SWC（靠近Mt. Vernon）和Stone Valley Plantation（SVP，靠近Pleasant Hope），两地相距72 km。2015年春季建立了两个实验地点，每个地点包含84个小区（SWC 5行，SVP 6行），每小区含两株同基因型植株，采用完全随机设计，21个基因型各设4个重复。共168个小区336株植株，每地点占地0.10 ha。样地土壤在2014年3月取样，并调整P、K、Ca、Mg和pH以确保两地环境因素尽可能相似。实验期间统一施肥、杂草管理、虫害监测和滴灌等管理措施。在建立年及随后一年（2015–16），去除所有花序以促进植株和根系健壮发育。研究人员在2017–18年两个生长季收获果实，记录物候学数据（萌芽、盛花、果实成熟高峰期）、株高、茎数、产量等园艺性状，并对果实样本进行实验室代谢物分析。实验室采用超高效液相色谱-二极管阵列检测器（UHPLC-DAD）方法定量分析5种花青素和7种黄酮醇/苯丙素类化合物。
**三、研究结果**
**物候学与形态学多样性：**在同园种植条件下，基因型间芽期差异达32天（2月22日至3月26日），盛花期差异为21天（6月4日至6月25日），果实成熟高峰期差异更大，达41天（7月30日至9月9日）。这些显著的物候学差异支持了美国接骨木莓遗传多样性广泛的观点。有趣的是，这三个物候因子在两个地点间几乎一致，但年份间差异显著。基因型间株高存在显著变异，最大株高范围为0.96–1.84 m，平均高度范围为0.80–1.60 m。每小区平均茎数在基因型间差异显著，从1889A的3.6茎到2073的15.1茎不等。
**病虫害发生差异：**病虫害发生率在基因型、地点和年份各因素间均存在显著差异，但整个研究期间未发现严重病虫害，大多数评级平均值低于2.0（<25%病虫害发生率）。‘Wyldewood’和种质材料1191、2073的日本甲虫（*Popillia japonica*）危害在统计学上高于其他基因型。叶斑病在‘Wyldewood’上发生率最高，而某些基因型的发生率持续较低，可能表明其具有内在的遗传抗性。
**果实产量与品质：**果实产量在基因型间差异显著，种质材料1887A的产量在所有基因型中最高，2084和2095也高于大多数其他基因型。许多种质材料的产量超过了标准栽培品种。每小区花序数在基因型间无统计学差异（p = 0.0647），但1887A产生的花序数在数值上多于大多数基因型。平均花序重量范围为8.4 g/花序（1199）至34.2 g/花序（2095）。单果大小从非常小（2084为53.6 mg）到非常大（1076为98.0 mg）不等。可溶性固形物含量在基因型间范围为7.0%（1191）至13.2%（2079），pH值范围为4.3至5.0。
**果实代谢产物：**在定量分析的12种代谢物中（5种花青素和7种黄酮醇/苯丙素类），除咖啡酸（大部分样本低于检出限，未进行展示和讨论）外，所有代谢物在21个基因型间和两个地点间均检测到统计学显著差异。2017年和2018年两个生长季之间也发现了差异（唯一例外是Cyan2）。栽培品种‘Ozark’的花青素Cyan1和Cyan5水平在统计学上显著高于其他基因型，使其总花青素水平在所有基因型中最高（除1896外）。‘Wyldewood’的绿原酸、新绿原酸和隐绿原酸水平突出，这可能与其较高的病虫害水平有关——某些代谢物的产生被认为具有防御性质，可响应病虫害发生。高产种质材料1887A和2084的多酚水平一般处于中低水平。值得注意的是，对于每一种被研究的代谢物，SWC地点检测到的水平均显著高于SVP地点，进一步强调了环境对代谢物产生的深远影响。与基因型原始采集地纬度相关的代谢物水平趋势或模式并不明显。
**四、结论与意义**
这项对美国接骨木莓自然分布区内多样基因型的同园研究支持了该分类群内遗传多样性广泛的假说。这些遗传差异在长期研究中表现为基因型间显著且广泛的物候学、表型、形态学和代谢组学差异。同时，研究也证实了环境（包括果园管理实践）对这些表型属性的重要影响，因为环境（地点）因素经常独立于遗传因素而影响植物性状的表达。研究结果凸显了育种者在该作物持续发展过程中选择各种目标性状的巨大潜力。未来需要更多研究来阐明影响接骨木莓果实和花产量以及特定健康有益代谢物精细化生产的遗传、环境和管理因素，并进一步探索在接骨木莓生产中利用"受控胁迫"来促进更高质量膳食补充剂产品生产的可能性。该论文发表在《Agroforestry Systems》。
