在干旱胁迫下的多环境试验中，鉴定出耐旱且高产的菜豆（Lens culinaris Medikus）基因型

《Ecological Genetics and Genomics》：Identification of drought tolerant and high yielding lentil (Lens culinaris Medikus) genotypes under drought stressed multi-environment trials

　　Shiferaw Teshome | Tileye Feyissa | Alemneh Mideksa | Tsegaye Getahun | Demsachew Guadie
生物技术系，自然与计算科学学院，Wolaita Sodo大学，埃塞俄比亚Sodo

**摘要**
小扁豆是一种营养价值高且具有重大经济意义的作物。评估和鉴定小扁豆的耐旱特性是小扁豆育种计划的主要目标。本研究旨在利用基因型加基因型-环境交互作用（GGE）生物图方法和耐旱指数分析，来识别具有高产量和稳定性的耐旱基因型。总共评估了130个小扁豆基因型，在两个连续的非生长季节内，于两个地点分别进行非胁迫和胁迫环境下的试验。方差分析结果显示，基因型、环境及其交互作用对性状表达有显著影响。干旱胁迫显著降低了种子产量（36.97%）、每株荚数（17.10%）、每株种子数（23.75%）、百粒重（20.62%）、生物产量（18.66%）、收获指数（24.14%）和成熟天数（8.04%）。在干旱胁迫条件下，种子产量与其他性状之间的相关性比非胁迫条件下更强。GGE生物图显示，基因型G31、G30、G32、G93、G51、G96、G92和G91在所评估的环境中表现出高产量和稳定性。此外，耐旱指数被用来估计基因型在测试环境中的耐旱程度。根据平均排名、排名标准差和指数总分，确定了相同的耐旱基因型。耐旱指数结果也证实了GGE生物图分析和耐旱指数的发现。这些表现优异的基因型是针对埃塞俄比亚及其他干旱易发地区的小扁豆产量提升育种计划的理想材料。

**引言**
小扁豆（Lens culinaris Medikus）是最早被驯化的冷季豆科作物之一[1]，在全球粮食安全中发挥着重要作用。它是一种自花授粉的二倍体物种，染色体数为2n = 14[2]，基因组大小为4,063 Mb[3]。小扁豆是蛋白质（22–35%）、微量营养素和维生素的极佳来源[4][5][6]，还有助于预防慢性疾病[7]并缓解营养不良[8]。由于其高蛋白质含量和相对于动物性蛋白质来源的较低成本，它被称为“穷人的肉”。当小扁豆被纳入种植系统时，通过固氮作用和有机物质的增加，可以提高土壤肥力，从而改善后续谷物作物的生长[10]。尽管小扁豆具有重要的营养和经济价值，但其生产日益受到气候变化的影响，尤其是干旱[11]。干旱是一种主要的非生物胁迫因素，会通过影响形态、生理和生化特性来限制作物生产力[12][13]。耐旱性是一个复杂的性状，涉及这些特性的综合表达[14]。小扁豆主要在雨养条件下或依靠残余土壤水分种植[6][15][16]，因此经常面临终端干旱胁迫，这对生长、发育和产量产生负面影响[12]。干旱胁迫影响小扁豆的整个生命周期，从种子萌发和营养生长到开花、结荚、种子充实、生理成熟和种子产量[17][18][19][20][21][22][23]。然而，生殖阶段对干旱胁迫最为敏感[20]，导致花朵、荚果和种子数量减少，以及种子脱落率增加[17][18]。在干旱胁迫期间，小扁豆的种子产量下降幅度最大（70%[18]）。干旱还会导致早熟，降低相对含水量、叶面积指数、叶绿素含量、碳水化合物积累和膜稳定性[21][24][25][26]。干旱和热胁迫的联合效应显著降低了小扁豆的种子产量、蛋白质含量以及铁和锌浓度[23]。干旱会诱导活性氧（ROS）的过量产生，导致细胞膜和大分子的氧化损伤[13]。然而，植物在胁迫条件下通过上调酶促抗氧化防御机制和积累相容性溶质及非酶促抗氧化剂来减轻ROS引起的损伤[27][28]。在小扁豆中，干旱胁迫会增加丙二醛、过氧化氢、相容性溶质和抗氧化酶的浓度[12][13][26]。已发现多种耐旱机制，包括提前开花和成熟、更深更长的根系、更高的根冠比、较小的叶面积、更高的生物产量、有效的气孔调节、较低的冠层温度、更高的水分利用效率、增加的叶绿素含量和光合能力、渗透调节、增强的抗氧化酶活性、快速的地被覆盖、更高的籽粒产量和收获指数、增加的根干重以及减少的细胞膜损伤[29][30][31][32][33][34][35]。植物育种的主要目标是在多环境试验（METs）中评估基因型的产量表现和稳定性，其中评估基因型（G）、环境（E）和基因型×环境交互作用（GEI）的影响[36]。在METs中，GEI指的是基因型在不同测试环境中的差异表现，表明在一个环境中表现良好的基因型在其他环境中可能表现不同。因此，作物的表型表达是由基因型、环境（地点、年份或其组合）及其交互作用的综合效应决定的[36]。研究基因型稳定性是植物育种计划的基本方面，在干旱胁迫条件下分析GEI的效果尤为重要[28][37]。了解GEI模式有助于简化在不同环境中识别稳定基因型的过程[38][39]。在存在显著GEI变异的情况下，已经开发了多种统计模型来评估和识别适应广泛或特定环境的稳定基因型。单变量分析（如方差分析ANOVA）一次只评估一个性状，主要表明基因型、环境和GEI之间是否存在变异性。然而，这些方法在解释GEI模式、基因型稳定性和环境区分方面存在局限性。相比之下，多变量统计分析能够有效捕捉GEI的复杂性，并有助于识别稳定基因型[40]。GGE（基因型主效应加基因型×环境交互作用）生物图是最常用的多变量模型之一，用于理解GEI[41][42][43]。它通过去除环境主效应同时保留基因型（G）和GE效应来整合主成分分析（PCA）。GGE生物图用于评估“哪些基因型在哪些环境中表现优异”（宏观环境分析）、基因型排名（理想基因型）以及METs中的基因型稳定性[44]。诸如“哪些基因型在哪些环境中表现优异”、平均值与稳定性、基因型排名以及区分能力与代表性等图形输出易于构建和解释，它们比加性主效应和乘法交互作用（AMMI）分析更有效地解释G + GE变异[43][44]。GGE生物图在识别METs中的稳定基因型方面的有效性已在小扁豆[45]及其他多种作物[41][44]中得到验证。耐受性和稳定性是选择优良基因型的关键育种目标[36]。使用平均生产力（MP）和耐受性指数（TOL）[46]、耐受性指数（STI）和几何平均生产力（GMP）[47]、调和平均数（HM）和耐旱指数（DRI）[48]、胁迫敏感性指数（SSI）[49]、产量稳定性指数（YSI）[50]、产量指数（YI）[51]和相对胁迫指数（RSI）[52]评估了基因型的耐受性。稳定性指的是基因型在METs中的持续表现，表明GEI效应最小。因此，这些指数能够有效评估在充足水分和缺水条件下的耐旱性，而多变量分析用于评估METs中的稳定性。这两种方法对于全面的基因型选择策略都是必不可少的[53]。目前，关于使用埃塞俄比亚地方品种、已发布的品种和外来品系在干旱胁迫条件下鉴定耐旱小扁豆基因型的信息仍然不足。因此，本研究旨在评估130个小扁豆基因型在两个地点、两个年份内的非胁迫控制和干旱胁迫条件下的耐旱表现。

**材料与实验设计**
实验材料包括130个小扁豆基因型，其中90个地方品种、7个已发布的品种和33个外来品系（补充表S1）。地方品种来自埃塞俄比亚生物多样性研究所（EBI），已发布的品种和外来品系来自Debre Zeit农业研究中心（DZARC）。这些地方品种来自埃塞俄比亚不同农业气候区，具有广泛的纬度和经度变异。

**方差分析和性状平均表现**
方差分析（表3）显示，基因型（G）、水分处理（W）和地点（L）及其交互作用对2023/2024和2024/2025年非生长季节在两个地点种植的130个小扁豆基因型的性状表达有显著影响。所有测量性状的基因型变异都非常显著（p < 0.001），表明基因型之间存在遗传多样性和对环境条件的不同适应策略。

**讨论**
干旱胁迫在所有生长和发育阶段都对小扁豆产生不利影响，尽管其敏感程度在其生命周期中有所不同。干旱胁迫的严重程度取决于其强度和持续时间、作物发育阶段以及小扁豆基因型的耐受能力[17][18][20][23]。在本研究中，干旱胁迫从50%开花期持续到生理成熟期，连续两个非生长季节在两个地点进行。在50%开花期停止灌溉...

**结论**
基因型、环境及其交互作用（GEI）的显著效应表明存在显著的遗传变异、基因型在不同测试环境中的差异表现以及基因型对特定环境的特异性适应。无论群体类型如何，基因型在干旱胁迫环境下的整体表现均下降，表明性状表达受到环境条件的强烈影响，尤其是在缺水条件下。

**作者贡献声明**
Demsachew Guadie：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法学、资金获取、概念化。
Alemneh Mideksa：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、监督。
Tsegaye Getahun：撰写 – 审稿与编辑、可视化、验证、概念化。
Shiferaw Teshome：撰写 – 审稿与编辑、原始草稿撰写、可视化、验证、软件使用、调查、正式分析、数据收集。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益冲突或个人关系。

**致谢**
作者感谢亚的斯亚贝巴大学生物技术研究中心、先进科学技术研究所对这项研究的资助。同时感谢Wolaita Sodo大学在整个研究过程中的持续支持。我们也感谢Melkassa农业研究中心和Adama科学技术大学允许我们使用他们的实验设施，并在田间试验活动中提供帮助。此外，我们还要感谢埃塞俄比亚...