中国寒兰（Lathyrus sativus L.）基因型多样性特征鉴定中欧环境关键农艺性状

《Legume Science》：Characterisation of Grass Pea (Lathyrus?sativus L.) Genotype Diversity Identified Key Agronomic Traits for Central European Environments

　　

摘要翻译
中欧地区的气候情景预测显示平均气温将上升，干旱和暴雨等极端天气事件发生频率增加，因此亟需筛选能够耐受气候极端条件的作物。草豌豆（Lathyrus sativus L.）是一种次要豆科作物，已知其具有耐受温度极端变化、干旱及水涝的能力，且能在多种土壤类型中生长。因此，研究人员调查了草豌豆在德国不同环境下的适宜性。本研究旨在鉴定与生产力参数相关的农艺和形态性状。研究人员在六个环境中对50个草豌豆基因型进行了特征分析，评估了两项与植物发育相关的参数、六项与农艺及植物形态相关的参数以及五项与生产力相关的参数。研究发现，较高的籽粒产量与较高的第一豆荚着生位点、每株至少20个豆荚总数以及每株至少40粒种子数相关。与具有蓝色花翅的基因型相比，具有白色花朵或白色/蓝色花翅的基因型表现出更高的产量。本研究鉴定了适用于中欧环境品种选育和释放的相关育种性状。

论文解读

随着全球气候变化对农业系统的影响日益加剧，尤其是干旱和暴雨等极端天气事件的频发，使得作物生产稳定性降低。在欧洲， grain legumes（谷类豆类）如豌豆（Pisum sativum L.）、蚕豆（Vicia faba L.）和大豆（Glycine max (L.) Merr.）虽广泛种植，但其生产力常受热胁迫或干旱等非生物因素限制。草豌豆（Lathyrus sativus L.）在地中海地区被认为是一种具有韧性的作物，能够耐受干旱、水涝、极端温度以及虫害，并能在多种土壤和中度盐碱环境中生长，理论产量可达5 t ha?1。然而，其生产仍受神经毒素β-N-oxalyl-L-α,β-diaminopropionic acid（β-ODAP）的限制，尽管其中含有的L-homoarginine（L-hArg）对心血管健康有益。鉴于现有研究多集中于地中海地区，缺乏针对中欧较凉爽气候下的评估，研究人员开展了此项研究，旨在分析德国不同地点的草豌豆基因型，鉴定驱动生产力的关键形态和农艺性状，表型性状与生产力参数之间的相关性，以及基因型起源对农艺性状和生产力的影响，以评估该作物在中欧作物系统中的潜力。

研究人员利用来自 Leibniz Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK) 基因库的263个草豌豆基因型，结合护照数据和种子可用性，初步筛选96个基因型及4个商业对照品种进行第一年田间评估。随后根据产量表现和β-ODAP浓度，筛选出46个基因型及4个商业对照，共计50个基因型（包括传统地方品种、老品种和商业品种）在2023和2024年的两个生长季中，于德国三个地点（IPK、University of Hohenheim (UHOH)、Leibniz Centre for Agricultural Landscape Research (ZALF)）进行第二次田间评估，形成六个环境组合。样本队列来源主要为IPK基因库保存的传统地方品种、老品种及商业品种。主要技术方法包括：田间试验设计与数据采集，记录播种日期、初花期积温（GDD1f）、株高（Ph）、第一豆荚高度（H1p）、分枝数、花翅颜色、种子颜色和种子面积（Sa）、每荚种子数（Nsp）、每株豆荚数（Npp）、每株种子数（Nspl）、千粒重（TGW）和产量（Yield）；利用Shapiro–Wilk检验评估数据正态性，采用Spearman等级相关系数生成相关性矩阵热力图以评估性状间关系，使用Kruskal–Wallis非参数检验分析表型类别差异，并利用非度量多维尺度分析（NMDS）可视化性状与基因型的关系，最后通过估计边际均值比较不同地理/气候起源组的差异。

在研究结果部分，“Climate During the Experimental Periods”指出，不同地点和年份的天气条件存在差异，2023年UHOH平均气温最高，而2024年最低；土壤温度在IPK较高，UHOH和ZALF较低，反映了土壤纹理的影响。“Correlation of Agronomical and Productivity-Related Parameters”显示，每株豆荚数与株高、每株种子数和产量呈中度正相关；每荚种子数与种子面积和千粒重呈强负相关；每株种子数与第一豆荚高度和每株豆荚数呈中度正相关，且与产量呈极强正相关（ρ = 0.88）；千粒重与种子面积呈极强正相关；产量与每株豆荚数和第一豆荚高度呈中度正相关，表明第一豆荚较高的基因型具有更高产量潜力。“Productivity-Related Parameters and Phenotype”表明，每荚种子数在花翅颜色和种子颜色类别间差异显著，蓝色/粉色花翅和棕色种子的基因型每荚种子数更高；千粒重在花翅和种子颜色间差异显著，浅色花翅（白色或白色/蓝色）和浅色种子（白色或白色/棕色）的千粒重较大；产量随花翅颜色变化显著，白色和白色/蓝色花翅基因型的中位产量高于蓝色/粉色花翅基因型。“Agronomical and Productivity-Related Parameters and Geographic/Climatic Groups”发现，东部地中海或中欧起源的基因型每荚种子数高于西地中海起源；西地中海起源基因型千粒重和种子面积较高，但每株种子数较低；中欧起源基因型株高显著较高；PERMANOVA分析显示各组间整体性状组成存在显著差异。

讨论部分指出，每株豆荚数与株高、每株种子数和产量正相关，支持将该参数作为温带气候下草豌豆遗传改良的选择标准。每荚种子数与种子面积和千粒重的负相关与既往研究一致，但本研究未发现其与产量的负相关，这可能源于基因型变异和环境差异。每株种子数作为关键生产力因子，与每株豆荚数、产量和第一豆荚高度正相关。千粒重与产量的相关性在中欧条件下较弱，需谨慎解读。第一豆荚高度与产量正相关，可能通过影响株型和收获性减少产量损失。表型方面，花翅和种子颜色与每株豆荚数无显著关系，但浅色花翅基因型产量更高。千粒重与花翅和种子颜色相关，深色种子通常单宁含量更高，可能不利；因此，若追求大粒重和高L-hArg浓度，应选择白色或白色/棕色种子基因型。地理起源方面，西地中海起源基因型千粒重较大但每株种子数少，存在权衡；东部地中海起源基因型每荚种子数和多，可能是对较小种子大小的补偿策略。

研究结论部分总结道，本研究首次鉴定了在中欧条件下成功栽培草豌豆基因型和品种的关键选择性状。对于中欧草豌豆基因型选育，每株高种子数、每株高豆荚数和第一豆荚高是与高产显著相关的最重要性状，应在育种计划中优先考虑。具有白色/蓝色花翅和白色/棕色种子的基因型千粒重最高，而基因型起源仅在与特定育种目标（如千粒重、每荚种子数、每株种子数）相关时才具有相关性。研究结果为未来育种计划和基因型选择提供了理想性状参考，表明现有商业品种可进一步优化，亟需通过品种改良为农民提供更多高产选择，提升中欧草豌豆生产力。