利用形态学和分子标记对帕尔马罗莎（Cymbopogon martinii var. motia）的遗传多样性和种群结构进行综合评估

《Gene》：Integrative assessment of genetic diversity and population structure in palmarosa (Cymbopogon martinii var. motia) using morphological and molecular markers

罗勒草遗传多样性及分子标记应用研究。采用SSR、ISSR、SRAP和SCoT标记分析70份种质资源，发现SSR标记对种群结构解析最优， ISSR和SCoT更能检测内群体多样性。基于表型和分子数据的整合分析揭示基因组多样性（3个亚种群）与表型表现存在差异。G62基因型（CSIR-IHBT-PR-04）在生物量产量和精油含量方面表现突出，为商业种植提供优质材料。该研究为整合表型与分子数据优化育种策略奠定基础。

　　

莫纳丽莎·马坦（Monalisa Mathan）| 阿米特·拉纳（Amit Rana）| 拉吉尼·德维（Rajni Devi）| 阿杰塔·卡托奇（Ajetta Katoch）| 穆库尔·拉纳（Mukul Rana）| 莫哈尔·辛格（Mohar Singh）| 萨特比尔·辛格（Satbeer Singh）| 拉梅什·乔汉（Ramesh Chauhan）| 阿肖克·库马尔（Ashok Kumar）| 萨纳特苏贾特·辛格（Sanatsujat Singh）

印度喜马偕尔邦帕兰普尔（Palampur）176061，科学与工业研究委员会-喜马拉雅生物资源技术研究所（Council of Scientific and Industrial Research - Institute of Himalayan Bioresource Technology）农业技术部门

摘要

帕尔马罗莎（Cymbopogon martinii var. motia）是一种具有商业价值的芳香草本植物，其精油富含香叶醇。然而，由于现有种质的特征描述有限，遗传改良工作受到了限制。本研究利用十个数量性状和四种分子标记系统（SSR、ISSR、SRAP、SCoT）评估了70个帕尔马罗莎基因型的遗传多样性和群体结构。多年评估显示，农艺形态和品质性状存在显著变异，某些基因型（G3、G62、G65、G68、G69、G70）在各种环境条件下表现始终优于其他基因型。植物高度、分蘖数、每株叶片数和每块地的生物量产量等性状被证明是有效的选择指标。分子分析表明，SSR标记提供了更好的群体结构分辨率，而ISSR和SCoT标记更有效地检测了群体内的多样性。STRUCTURE和PCoA分析划分出三个混合遗传亚群，而基于分子数据的层次聚类与表型分组的一致性有限，这反映了基因组多样性模式与可观察性状表现之间的差异。这突显了整合表型和分子信息对于科学选择基因型的重要性。基因型G62（CSIR-IHBT-PR-04）在生物量产量和精油含量方面表现优异，使其成为该地区商业栽培的理想候选品种。这些发现为未来旨在提高帕尔马罗莎产量、精油质量和环境适应性的育种工作奠定了宝贵基础。

引言

Cymbopogon属植物属于禾本科（Poaceae），广泛种植于热带和亚热带地区。这些物种因其精油中的挥发性芳香化合物而备受重视，在制药、化妆品和农业工业领域具有重要价值（Nilofer等人，2023年；Smitha和Manivel，2021年）。在该属144个已确认的物种中，只有三种在印度被广泛用于商业目的（Adhikari等人，2022年；Avoseh等人，2015年）。其中，帕尔马罗莎（Cymbopogon martinii [Roxb.] Wats. var. motia Burk.），常被称为“糖果草”或“玫瑰草”，是一种芳香多年生草本植物，以其甜美的玫瑰香味精油而闻名（Amrita等人，2023年；Kumar等人，2024a；Kumar等人，2022b）。这种精油富含香叶醇、香叶酰乙酸、芳樟醇等多种化合物，可从整个植株（包括花序、叶子和茎）中提取（Jamwal等人，2024年；Rana等人，2025年；Smitha和Rana，2015年）。该精油具有抗菌、抗真菌、抗氧化、镇痛和驱蚊特性（Amrita等人，2023年；Jummes等人，2020年）。

随着全球需求的增加，印度已成为帕尔马罗莎精油的主要供应国。过去二十年里，印度出口了约661.29公吨帕尔马罗莎精油，累计出口价值接近1500万美元（Choudhri等人，2022年）。这种芳香精油的主要国际市场包括美国、法国和西班牙，这三个国家占据了出口量和价值的大部分。然而，尽管市场潜力巨大，但由于对现有种质资源的探索、评估和遗传特征描述不足，品种改良工作仍然有限。栽培方法主要依赖于无性繁殖和传统选择方法，导致遗传基础狭窄，育种进展受到限制。系统评估遗传多样性对于有效利用种质资源进行作物改良至关重要。它提供了选择优良基因型、提高产量潜力和增强环境适应性的必要变异信息。虽然利用农艺形态性状评估遗传多样性具有参考价值，但这种方法受到环境变异的显著影响，可能无法准确反映潜在的遗传差异（Arya等人，2024年；Olakh等人，2014年）。这对育种计划构成了重大限制，尤其是对于Cymbopogon属植物而言，该属植物具有高杂合性、强制异花授粉和广泛的自然杂交现象（Murthy等人，2022年；Smitha和Dhaduk，2018年；Smitha和Manivel，2021年）。这些繁殖特性导致群体结构异质性，从而在表型性状和精油成分上存在显著变异（Kumar等人，2024a）。因此，稳定所需性状和培育统一品种仍然具有挑战性。为了克服这些限制，分子标记提供了一种强大的方法，可以在不受环境影响的情况下精确评估DNA水平的遗传多样性和亲缘关系（Mondini等人，2009年；Munda等人，2022年）。基于标记的基因分型能够检测隐藏的遗传变异，有助于识别优良基因型，并支持育种计划中的种质管理和利用（Rasul等人，2022年）。当与农艺形态数据结合使用时，分子标记提供了一个综合平台，可以同时捕捉表型表达和潜在的基因型差异，从而提高遗传多样性分析的分辨率和可靠性。

以往关于帕尔马罗莎及相关Cymbopogon物种的研究主要依赖于有限的形态性状、少量的标记以及混合或狭窄的基因型样本集，通常分别分析分子和农艺形态或精油性状，这限制了遗传多样性与关键经济性状之间的关联。鉴于这一不足，本研究通过整合农艺形态评估与四种分子标记（即SSR（简单序列重复）、ISSR（简单序列重复间）、SRAP（序列相关扩增多态性）和SCoT（起始密码子靶向多态性）来全面表征帕尔马罗莎种质，以评估遗传多样性、群体结构和基因型间的差异。这种多方面的方法旨在识别具有遗传多样性和潜力的基因型，为未来的育种计划提供候选材料，最终培育出产量更高、品质更好、适应性更强的品种。

实验材料与设计

本研究使用了保存在印度喜马偕尔邦帕兰普尔（Palampur）喜马拉雅生物资源技术研究所（CSIR-Institute of Himalayan Bioresource Technology，IHBT）育种场的70个帕尔马罗莎基因型。它们的系谱和品质特征分别记录在补充表1和表2中。实验地点位于北纬32°、东经76°，海拔约1300米。

性状变异与关联分析

2019年至2023年间，70个帕尔马罗莎基因型在十个数量性状上的平均表现记录在补充表4.1–4.2中，并通过图1中的小提琴图进行了可视化展示。多年平均表现汇总在补充表5中。根据汇总平均值与整体平均值的比较，株高（PH）范围为122.90至259.04厘米（平均值：184.33厘米），其中28个基因型（G3、G5、G6、G9、G11–G15、G20-21、G26、G28、G30-31、G34–G37、G40、G53-54）表现突出。

讨论

遗传多样性是作物改良的基础资源，它提供了选择优良基因型、提高产量潜力以及确保育种计划长期适应性的必要变异（Swarup等人，2021年）。虽然形态和生化性状可以在田间和实验室条件下进行深入的表型和生理特征分析，但分子标记能够在DNA水平上精确检测遗传差异（Kumar等人）。

未引用的参考文献

Damtew、Zigene和Mengesha Kassahun（2012年）。

CRediT作者贡献声明

莫纳丽莎·马坦（Monalisa Mathan）：撰写初稿、方法论设计、调查实施、数据分析、概念构建。 阿米特·拉纳（Amit Rana）：撰写与编辑、软件应用、数据分析。 拉吉尼·德维（Rajni Devi）：数据分析。 阿杰塔·卡托奇（Ajetta Katoch）：数据分析。 穆库尔·拉纳（Mukul Rana）：数据管理。 莫哈尔·辛格（Mohar Singh）：数据管理。 萨特比尔·辛格（Satbeer Singh）：监督指导、数据分析。 拉梅什·乔汉（Ramesh Chauhan）：调查实施。 阿肖克·库马尔（Ashok Kumar）：撰写与编辑、数据管理。 萨纳特苏贾特·辛格（Sanatsujat Singh）：撰写与编辑。

资助

作者感谢新德里科学与工业研究委员会（CSIR）通过“Mission Aroma ‘HCP0007’项目提供的财政支持。

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文的研究结果。

致谢

我们感谢CSIR-IHBT主任为本研究提供的必要设施。本文的CSIR-IHBT通讯编号为‘11371’。