一种新颖的两阶段多性状选择策略，用于早期鉴定葫芦巴突变体，重点关注营养、营养保健和气候适应性等性状

两阶段多性状选择策略有效筛选出Fenugreek突变体，涵盖高产、高营养及耐逆性等特性，为精准育种提供新资源。

Jyothsna J.|S.K. Pandey|Reena Nair|A.K. Mehta|Vibha Pandey|Marichamy M.S.|Kiran Sagar D.C.

印度中央邦贾巴尔普尔贾瓦哈拉尔·尼赫鲁农业大学园艺系

摘要

突变育种是一种成熟且高效的作物改良方法。然而，其应用常常受到筛选大量突变体群体的限制，这使得这一过程劳动强度大且资源需求高。葫芦巴（Trigonella foenum-graecum L.）作为一种有价值的香料和叶类蔬菜，目前正经历遗传多样性和变异性的下降。为应对这一挑战，本研究提出了一种早期选择策略，采用一种新颖的两阶段多性状选择方法来提高突变体鉴定的效率。共有353株突变体植物来自一个高产的M₂突变体系，这些植物在生长、生理、品质、营养和营养保健特性方面接受了全面评估。在第一阶段，使用MGIDI（多性状基因型-表型距离指数）分析方法，根据较低的MGIDI得分筛选出53株具有优良整体表现的突变体。在第二阶段，对这些突变体进行GYT（基因型×性状）双坐标图分析，以识别出在特定性状上表现优异且具有较高产量潜力的品系。这种两阶段选择过程成功筛选出了多个在多种性状类别中表现良好的葫芦巴突变体。突变体L154、L27和L178表现出全面的平衡性能，成为广泛改良的候选品种。L230和L78品系因其高抗氧化活性、抗坏血酸和蛋白质含量而备受关注，表明它们在提升营养和功能品质方面具有潜力。突变体L147、L303、L263、L63、L266、L74和L72表现出关键生物活性化合物的高积累量，在营养和营养保健性状方面表现出双重优势，是精准育种的理想候选品种。L266、L63、L74和L72品系还表现出优异的适应性和抗逆性。L199、L267和L281突变体因含有高量的葫芦巴碱而具有药用应用潜力。此外，L350、L223、L301、L216和L23品系具有适合制剂开发的互补营养保健特性。最后，L98、L43和L199品系在微绿叶蔬菜生产方面表现出较高的适用性，显示出增强的营养价值和早期生长特性。值得注意的是，突变体L98被确定为维生素A富集的理想候选品种。本研究证明了所提出的两阶段多性状选择方法在识别具有多样性和宝贵农艺、营养及营养保健特性的葫芦巴突变体方面的有效性。

引言

植物多样性和遗传变异性是成功植物育种的基础，它们有助于提高产量、品质、气候适应性和抗非生物及生物胁迫的能力（Fu, 2006）。广泛的遗传基础和高多样性增强了作物适应环境变化的能力，这是植物育种成功的关键因素（Ulukan, 2011）。除了生产力之外，植物多样性在确保饮食多样性和促进人类健康与营养方面也起着重要作用（Ceccarelli, 2020）。然而，现代植物育种实践引发了人们对作物遗传多样性逐渐减少的严重担忧，从而增加了对环境胁迫的脆弱性和生产不稳定性的风险。

诸如引入新品种、强化选择和杂交等育种活动往往会导致遗传侵蚀，尤其是在优良基因库中（Fu, 2006）。其他因素也导致了作物多样性的减少，包括驯化、长期干旱和单一作物种植（Robinson et al., 2020, Gunasekar and Rettinassababady, 2022, Putra et al., 2020）。气候变化通过改变开花物候、植物-传粉者相互作用和种子传播方式，进一步加剧了这种下降趋势，最终重塑了植物种群结构和遗传组成（Amri, 2014）。在这种情况下，能够快速产生新遗传变异的育种策略至关重要。

突变育种是一种成熟且有效的方法，它可以在现有遗传基础上创造新的遗传变异，有助于抵消多样性的下降。这种方法已在75多个国家培育出超过3362个突变体品种（Pandit et al., 2021）。物理和化学诱变方法有助于改善作物的质量和数量性状，包括产量、营养品质、抗逆性和植株结构（Kapila, 2024）。在化学诱变剂中，乙基甲磺酸（EMS）因其高效性和易于应用而被广泛使用（Chen et al., 2023）。基于这些发现，本研究选择EMS作为葫芦巴改良的诱变剂。

评估和鉴定作物种质资源对于提高农业生产和解决粮食安全问题至关重要（Hora and Amebaw, 2017）。与传统的杂交育种不同，突变育种能够在不破坏优良品种整体遗传特性的前提下改善特定性状，因此非常适合自花授粉作物。尽管有这一优势，主要挑战在于需要管理和评估庞大的突变体群体，并在早期世代中识别出罕见的有益突变体，这使得整个过程资源密集。高效的早期世代筛选和有益突变体的鉴定可以减少后续世代的群体规模，降低成本并提高选择效率（Mishra, 2013, Dhondge et al., 2023）。基于单一性状的传统选择方法往往不够充分，因为性状之间的相互关系复杂，存在丢失有用基因的风险（Schofield et al., 2011, Fradgley et al., 2022）。

多性状选择策略通过同时考虑多个相关性状，为应对这些挑战提供了更强大的框架。这类方法通过利用有利的性状关联来提高选择准确性和遗传增益，同时减少负相关性（Budhlakoti et al., 2019）。最近在多性状指数方面的进展，如多性状基因型-表型距离指数（MGIDI）和基因型×性状（GYT）分析，使得在需要同时改进多种农艺、营养和适应性状的复杂育种群体中能够进行更客观和全面的基因型评估。然而，许多传统指数依赖于经济权重和协方差结构，这在多共线性情况下可能引入主观性和统计限制（Palaniyappan et al., 2025）。

本研究采用了一种新颖的两阶段多性状选择方法来识别有前景的葫芦巴突变体。应用了两种多性状选择方法：(MGIDI) 和 (GYT) 分析。MGIDI指数用于识别具有整体性状改善的突变体，而GYT双坐标图方法则用于进一步确定具有特定理想性状的突变体。

葫芦巴（Trigonella foenum-graecum L.）是一种一年生自花授粉的豆科草本植物，因其种子和嫩叶而被栽培。它起源于地中海地区，现在主要在印度种植，印度产量占全球总量的80%以上，主要种植区位于拉贾斯坦邦、古吉拉特邦和北方邦。这种作物非常适合干旱地区，如北非、中东和南亚。葫芦巴种子富含蛋白质、膳食纤维、铁和维生素，而叶子则富含维生素A和C。此外，皂苷、生物碱、黄酮类化合物和葫芦巴碱等生物活性成分有助于改善消化、降低胆固醇和调节血糖（Ahmad et al., 2015）。

全球代谢性疾病（尤其是糖尿病）的发病率上升，增加了人们对功能性食品和营养保健作物的兴趣。全球有超过4亿人患有糖尿病，其中印度 alone 就有约7700万确诊病例（国际糖尿病联合会，2023）。葫芦巴含有葫芦巴碱，这种生物活性化合物可以通过增强胰岛素敏感性来调节血糖水平，从而在糖尿病的饮食管理中发挥作用（Subramanian and Prasath, 2014）。除了葫芦巴碱外，葫芦巴叶子还富含类胡萝卜素、花青素、多酚、蛋白质和膳食纤维等植物营养素，使其适合用于微绿叶蔬菜生产和其他增值应用。鉴于葫芦巴作为香料作物和功能性食品的双重重要性，迫切需要扩大其遗传基础，同时提高产量、营养品质和气候适应性。因此，本研究采用综合多性状框架评估了诱导产生的葫芦巴突变体。本研究的目标是开发并应用一种两阶段多性状选择策略，以高效识别具有多样化农艺、营养、营养保健和适应性的有前景的高性能葫芦巴突变体，以实现目标性的作物改良和多样化。

实验地点和植物材料

实验在印度中央邦贾巴尔普尔贾瓦哈拉尔·尼赫鲁农业大学园艺系的蔬菜研究中心进行。实验使用了高产且适应性强的葫芦巴品种RMt-1。为了诱导突变，使用0.3%的乙基甲磺酸（EMS）处理葫芦巴种子（Jyothsna et al., 2022a）。处理后的种子被用来培育M₁代。葫芦巴是一种主要自花授粉的物种。

第一阶段：通过MGIDI分析进行多性状选择以确定表型

使用多性状基因型-表型距离指数（MGIDI）评估了353株突变体，以识别在所有研究性状上具有最佳表型的个体。似然比测试表明，除节间长度和相对含水量外的所有植物性状都具有显著性。基于15%的选择强度，选出了53株植物。因子分析将37个性状分为两个不同的因子：因子2（FA2）包括每株植物的节数：

总结与未来展望

本研究证明了新颖的两阶段多性状选择方法在早期识别葫芦巴中有前景的突变体方面的有效性。共有353株来自高产亲本系的M₂突变体在农艺、生理、营养和营养保健性状方面接受了全面评估。在第一阶段，MGIDI分析帮助选出了53株具有理想多性状表现的突变体。

CRediT作者贡献声明

J Jyothsna：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，可视化，软件应用，方法论，研究设计，数据分析，概念构建。S.K. Pandey：写作 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，方法论，概念构建。Reena Nair：写作 – 审稿与编辑，撰写初稿，验证，监督，软件应用，资源管理，项目协调，方法论，研究设计，数据分析，

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本手稿的过程中，作者使用了ChatGPT（OpenAI, GPT-4）来提高语言清晰度和语法。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对出版物的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

第一作者感谢印度农业研究委员会（ICAR），新德里为其博士项目提供了高级研究奖学金。