Genetic Diversity Assessment for Nutritional Traits of Ex-situ Finger Millet Collections

技术摘要：迁延性指粟（Finger Millet）种质资源营养性状的遗传多样性评估

问题陈述
指粟（Eleusine coracana）是由于非洲和亚洲干旱及半干旱地区至关重要的生存作物，因其高碳水化合物、能量、蛋白质和矿物质含量而备受重视。在应对营养不良，特别是针对脆弱人群的铁（Fe）、锌（Zn）和蛋白质缺乏问题方面，它发挥着至路作用。尽管该作物具有巨大的营养潜力且被视为埃塞俄比亚的起源中心之一，但其在育种计划中的遗传改良仍处于被低估的状态，因为历史上的育种重点在于产量和耐旱性等农艺性状，而非营养品质。目前，针对来自不同非洲国家的迁延性指粟迁延性种质资源的营养性状遗传多样性，仍缺乏全面的表征研究，这限制了育种家选择优良基因型进行生物强化（biofortification）的能力。

方法论
本研究评估了从埃塞俄比亚生物多样性研究所获得的 200 份指粟种质资源（基因型），这些资源代表了来自埃塞俄比亚、津巴布韦、厄立特里亚和赞比亚的收集品。实验设计采用 10 × 20 $\alpha$ 格点设计，在埃塞俄比亚提格雷地区（Maiaini、Zana 和 Rama 三个地点）经过两个生长季节（2019/2020）进行两次重复试验。

• 数据采集： 对所有基因型的谷物营养成分进行了评估。为确保准确性，对汇总的谷物样本进行了清洁以防止污染，并使用近红外光谱仪（DA 720）进行分析。测定的性状包括水分含量、蛋白质、淀粉、钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）和锌（Zn）。
• 统计分析： 使用 IBM-SPSS 进行 t 检验和皮尔逊相关系数分析。使用 MINITAB v19 中的 Ward 联动法（Ward's Linkage method）和平方欧几里得距离（Squared Euclidean Distance）进行聚类分析，并通过判别分析（Discriminant Analysis）进行验证。使用 Past4.0 软件进行主成分分析（PCA），以识别营养性状之间的变异模式。

主要结果

• 遗传变异性： 200 个基因型在所有营养性状上均表现出显著差异（P < 0.001）。
  • 蛋白质： 范围为 5.15% 至 9.33%（平均值 6.43%）。基因型 203574（来自津巴布韦）表现出最高的蛋白质含量。
  • 矿物质： 钙含量范围为 139 至 431 mg/100g；镁为 120.85 至 525.50 mg/100g；铁为 4.06 至 30.68 mg/100g；锌为 0.11 至 4.89 mg/100g。
  • 顶尖表现者： 基因型 203574、234160、203259、203257 和 203262 分别被确定为蛋白质、钙、镁、铁和锌的最优表现者。值得注意的是，除了来自津巴布韦的顶尖蛋白质基因型（203574）外，所有这些特定性状的高排名基因型均源自埃塞俄比亚。
• 相关性： 铁含量与钙、镁和锌呈现显著正相关。钙与锌呈强正相关（r = 0.62, P < 0.01）。蛋白质含量与大多数矿物质性状呈弱且不显著的负相关。
• 聚类分析： 基因型被分为六个不同的簇。簇 I 包含最多的基因型（73 个），包括所有 49 个津巴布韦种质资源。簇 V 和簇 VI 包含了矿物质浓度最高的基因型。簇 V 的特征是高镁和高铁；而簇 VI 则表现出高钙、高镁、高锌和高铁。簇 IV 与簇 VI 之间、以及簇 II 与簇 VI 之间观察到最大的遗传距离。
• 主成分分析 (PCA)： 前两个主成分解释了总变异量的约 60.7%。PC1（40.27%）主要由镁、锌、钙和水分驱动。PC2（17.51%）受蛋白质、淀粉和铁的影响。
• 地理与表型因素： 营养谱随原产国而异；与厄立特里亚和津巴布韦的基因型相比，埃塞俄比亚基因型的锌和铁含量通常较低，但埃塞俄比亚种质资源表现出高镁含量。种子颜色也影响营养含量：棕色和橙色种子含有较高的钙和铁，但镁含量较低；而棕色和白色种子相比黑色和红色种子含有更高的锌。水分、蛋白质和淀粉含量并不随种子颜色发生显著变化。

意义与贡献
本研究提供了对非洲指粟种质资源营养性状遗传多样性的基础性评估。通过识别具有优异营养谱的特定基因型（例如高钙、高铁、高锌和高蛋白），该研究为育种家选择杂交程序的亲本系提供了直接资源。基于营养性状的基因型聚类简化了筛选过程，使育种家能够针对特定簇（如簇 V 和 VI）来组合理想的矿物质性状。

研究结果强调了指粟作为缓解微量元素营养不良载体的潜力。研究结论指出，将这些高营养基因型整合到育种计划中（可能通过常规和分子技术手段），可以加速开发旨在解决粮食安全和营养健康双重挑战的品种。此外，地理起源与营养含量之间的相关性表明，可以优化种质收集策略，以针对特定的营养谱。作者强调，虽然该作物是矿物质（尤其是钙）的重要来源，但未来的工作应侧重于增强当地富含谷物营养的品种，并探索其在复合粉技术中的应用。