DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1719270
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41799976
تاريخ النشر: 2026-02-20
المؤلف: Eric Nduwarugira وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الوراثة وتربية النباتات
نظرة عامة
تبحث الدراسة في تأثير الجينوتيب (G) والبيئة (E) وتفاعل الجينوتيب مع البيئة (GEI) على إنتاجية الحبوب وتركيزات العناصر الدقيقة (الحديد والزنك) في الفاصوليا الشائعة (Phaseolus vulgaris L.) عبر مواقع متعددة ومواسم زراعية في بوروندي. باستخدام نموذج التأثيرات الرئيسية الإضافية والتفاعل المضاعف (AMMI)، قامت الدراسة بتقييم 167 جينوتيب من الفاصوليا الشائعة (83 شجيرة و84 متسلقة) لتقييم أدائها واستقرارها. أظهرت النتائج تأثيرات كبيرة لـ G وE وGEI على إنتاجية الحبوب ومستويات العناصر الدقيقة، مع تقديرات وراثية واسعة النطاق تظهر قيمًا عالية للحديد والزنك (h² = 0.68-0.82) مقارنة بقيم أقل للإنتاجية (h² ≈ 0.30-0.33).
كشفت التحليلات أن العديد من الجينوتيبات تفوقت على الأصناف المرجعية من حيث محتوى الحديد والزنك، على الرغم من أن مستويات العناصر الدقيقة الأعلى لم تتوافق دائمًا مع زيادة الإنتاجية. حددت تحليلات AMMI وGGE ببلوت الجينوتيبات المستقرة وعالية الأداء وتلك المتكيفة مع بيئات معينة. كان مؤشر اختيار الصفات المتعددة (MTSI) فعالًا في تحديد الجينوتيبات التي توازن بين الأداء الزراعي والجودة الغذائية. تؤكد النتائج على أهمية التقييمات متعددة البيئات واستراتيجيات الاختيار المتكاملة لتطوير الفاصوليا الشائعة المحسنة غذائيًا المناسبة لظروف الزراعة المتنوعة في بوروندي، مما يبرز الإمكانية لتحسين مستويات الحديد والزنك في وقت واحد مع إدارة التبادلات بين الإنتاجية والتغذية.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على أهمية الفاصوليا الشائعة (Phaseolus vulgaris L.) كنوع من البقوليات الأساسية للتغذية، خاصة في البلدان ذات الدخل المنخفض حيث تعتبر غذاءً أساسيًا ومحصولًا نقديًا. غنية بالبروتين والحديد (Fe) والزنك (Zn)، تلعب الفاصوليا الشائعة دورًا حيويًا في التخفيف من نقص العناصر الدقيقة، خاصة بين السكان الذين يعانون من تنوع غذائي محدود. تجعل قابلية الفاصوليا الشائعة للتكيف مع ظروف النمو القاسية منها ذات قيمة خاصة في مناطق مثل أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى وأمريكا اللاتينية. في بوروندي، حيث ينتشر نقص العناصر الدقيقة، هناك مبادرات لتعزيز أصناف الفاصوليا الغنية بالحديد والزنك لمكافحة مشاكل صحية مثل فقر الدم.
تؤكد الورقة على أهمية التحصين الغذائي كاستراتيجية مستدامة لتعزيز الجودة الغذائية لمحاصيل الغذاء. على الرغم من الفوائد المعترف بها للحديد والزنك لصحة الإنسان، لا يزال نقص هذه العناصر الدقيقة يمثل تحديًا عالميًا. تؤكد الدراسة على الحاجة لفهم أعمق للعوامل الوراثية والبيئية التي تؤثر على تركيزات الحديد والزنك في الفاصوليا الشائعة، خاصة في الأصناف المحلية. تهدف الدراسة إلى تقييم أداء وجودة الفاصوليا الشائعة عبر بيئات متنوعة، مع التركيز على تفاعلات الجينوتيب × البيئة، وتقدير الوراثة، وتحليل الارتباط لتوجيه جهود التربية نحو تحسين الجودة الغذائية والأداء الزراعي. سيساعد استخدام نموذج التأثيرات الرئيسية الإضافية والتفاعل المضاعف (AMMI) في تحديد الجينوتيبات الأكثر ملاءمة لظروف البيئة المتنوعة.
طرق البحث
تحققت الدراسة من 167 جينوتيب من الفاصوليا، تتكون من 84 صنفًا متسلقًا و83 صنفًا شجيريًا، تم الحصول عليها من البنك الوطني للجينات في بوروندي في ISABU. شملت هذه الجينات المتنوعة أصنافًا محسنة تم إصدارها بين عامي 1990 و2024، وخطوط تربية متقدمة، وأصناف محلية، تمثل كل من مجموعات الجينات الأنديزية والميزوأمريكية. أظهرت الجينوتيبات تباينًا كبيرًا في حجم البذور وشكلها ولونها، حيث كانت MAC44 وRWR2245 بمثابة أصناف مرجعية إقليمية للأصناف المحصنة غذائيًا. استخدم التصميم التجريبي تصميم شبكة غير متوازن مع ثلاث تكرارات عبر موسمين زراعيين (2024A و2024B) في ثلاث محطات بحثية في ISABU، مما يضمن تقييمًا شاملاً للجينوتيبات تحت ظروف زراعية بيئية متنوعة.
تم إجراء التجارب في بوكيمبا وكاروسي ومورونغوي، كل منها يتميز بظروف مناخية وتربة مميزة. أظهرت تحليلات التربة مستويات متفاوتة من العناصر الغذائية الأساسية، مع نقص في النيتروجين والفوسفور والزنك عبر المواقع. لتعزيز خصوبة التربة، تم تطبيق المواد العضوية، وتم اتباع الممارسات الزراعية القياسية، بما في ذلك استخدام السماد العضوي والأسمدة العضوية المعدنية. تم تسجيل البيانات المناخية بدقة، وتم استخدام إدارة الأعشاب يدويًا طوال التجارب المعتمدة على الأمطار، مما يضمن بيئة خاضعة للتحكم لتقييم أداء جينوتيبات الفاصوليا.
النتائج
تحققت الدراسة من تأثيرات الجينوتيب (G) والبيئة (E) وتفاعل الجينوتيب مع البيئة (GEI) على إنتاجية الحبوب ومحتوى العناصر الدقيقة في الفاصوليا الشائعة (Phaseolus vulgaris L.) عبر 83 جينوتيب شجيري و84 جينوتيب متسلق في بوروندي خلال موسمين زراعيين (2024A-2024B). باستخدام نموذج AMMI، كشفت التحليلات عن تأثيرات ذات دلالة كبيرة (p < 0.001) لكل من الجينوتيب والبيئة على إنتاجية الحبوب وتركيزات الحديد (Fe) والزنك (Zn)، مع وجود GEI ملحوظ لمعظم الصفات. كان التباين الجينوتيبي كبيرًا، حيث تراوحت تركيزات الحديد من 52.86 إلى 76.5 جزء في المليون في الفاصوليا الشجرية ومن 53.38 إلى 59.7 جزء في المليون في الفاصوليا المتسلقة، وتركيزات الزنك بين حوالي 17 إلى 23 جزء في المليون، وكانت إنتاجية الحبوب تتراوح من حوالي 950 إلى 2240 كجم هكتار⁻¹. حددت تحليلات إضافية، بما في ذلك AMMI وGGE ببلوت، الجينوتيبات المستقرة وعالية الأداء عبر بيئات مختلفة، مميزة بين الجينوتيبات المستقرة وتلك المتكيفة مع ظروف معينة. أظهرت تقديرات الوراثة واسعة النطاق وراثة عالية للحديد والزنك (h² = 0.68-0.82) ولكن وراثة أقل للإنتاجية (h² ≈ 0.30-0.33). كان مؤشر اختيار الصفات المتعددة (MTSI) فعالًا في تحديد الجينوتيبات التي تجمع بين الإنتاجية العالية وكثافة العناصر الدقيقة. تؤكد هذه النتائج على أهمية الاختيار متعدد البيئات في برامج التربية التي تهدف إلى تطوير الفاصوليا الشائعة عالية الإنتاجية والغنية بالعناصر الغذائية المناسبة لسياقات زراعية بيئية متنوعة.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التأثيرات البيئية الكبيرة على الحديد (Fe) والزنك (Zn) وإنتاجية الحبوب في جينوتيبات الفاصوليا الشائعة عبر مواقع مختلفة في بوروندي. وجدت الدراسة أن الظروف المحددة للموقع، مثل خصائص التربة والعوامل المناخية، لعبت دورًا حاسمًا في تحديد تعبير هذه الصفات، مما يوافق النتائج من الدراسات السابقة حول الفاصوليا الشائعة وغيرها من البقوليات. بشكل ملحوظ، كان هناك تباين جيني كبير بين الجينوتيبات التي تم تقييمها، مما يشير إلى إمكانية الاختيار والتربية التي تهدف إلى تعزيز كل من الإنتاجية والجودة الغذائية. وجود تفاعلات كبيرة بين الجينوتيب والبيئة (G×E) يبرز ضرورة إجراء تجارب متعددة البيئات لتحديد الجينوتيبات المستقرة والمتكيفة بشكل واسع.
كشفت تحليلات نموذج AMMI أن أول مكونين رئيسيين (PCA1 وPCA2) يمثلان جزءًا كبيرًا من تباين G×E، حيث يلتقط PCA1 الأنماط الرئيسية للتفاعل. وهذا يشير إلى أن التحسين الجيني الناجح لتركيزات الحديد والزنك يجب أن يأخذ في الاعتبار كل من الإمكانات الجينية والملاءمة البيئية، خاصة في سياقات خصوبة التربة المنخفضة والتغير المناخي. تؤكد النتائج على تعقيد جهود التحصين الغذائي وأهمية فهم التفاعل بين الجينوتيب والبيئة في تحسين تراكم العناصر الدقيقة في الفاصوليا الشائعة.
DOI: https://doi.org/10.3389/fpls.2026.1719270
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41799976
Publication Date: 2026-02-20
Author(s): Eric Nduwarugira et al.
Primary Topic: Genetics and Plant Breeding
Overview
The research investigates the influence of genotype (G), environment (E), and genotype-by-environment interaction (GEI) on grain yield and micronutrient concentrations (iron and zinc) in common beans (Phaseolus vulgaris L.) across multiple locations and cropping seasons in Burundi. Utilizing the Additive Main Effects and Multiplicative Interaction (AMMI) model, the study evaluated 167 common bean genotypes (83 bush and 84 climbing) to assess their performance and stability. Results indicated significant effects of G, E, and GEI on grain yield and micronutrient levels, with broad-sense heritability estimates showing high values for Fe and Zn (h² = 0.68-0.82) compared to lower values for yield (h² ≈ 0.30-0.33).
The analysis revealed that several genotypes outperformed check varieties in terms of Fe and Zn content, although higher micronutrient levels did not consistently correlate with increased yield. AMMI and GGE biplot analyses effectively identified stable, high-performing genotypes and those adapted to specific environments. The multi-trait selection index (MTSI) was instrumental in pinpointing genotypes that balanced agronomic performance with nutritional quality. The findings underscore the importance of multienvironment evaluations and integrated selection strategies for developing nutritionally enhanced common beans suited to diverse agro-ecological conditions in Burundi, highlighting the potential for simultaneous improvement of Fe and Zn levels while managing yield-nutrition trade-offs.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the significance of common bean (Phaseolus vulgaris L.) as a crucial legume for nutrition, particularly in low-income countries where it serves as a staple food and cash crop. Rich in protein, iron (Fe), and zinc (Zn), common beans are instrumental in mitigating micronutrient deficiencies, especially among populations with limited dietary diversity. The adaptability of common beans to adverse growing conditions makes them particularly valuable in regions like sub-Saharan Africa and Latin America. In Burundi, where micronutrient malnutrition is prevalent, initiatives promoting biofortified high-Fe and Zn bean varieties are underway to combat health issues such as anemia.
The paper emphasizes the importance of biofortification as a sustainable strategy to enhance the nutritional quality of food crops. Despite the recognized benefits of iron and zinc for human health, deficiencies in these micronutrients remain a global challenge. The research underscores the need for a deeper understanding of the genetic and environmental factors influencing Fe and Zn concentrations in common beans, particularly in local landraces. The study aims to evaluate the performance and nutritional quality of common bean genotypes across various environments, focusing on genotype × environment interactions, heritability estimation, and correlation analysis to guide breeding efforts for improved nutritional quality and agronomic performance. The use of the Additive Main Effects and Multiplicative Interaction (AMMI) model will facilitate the identification of genotypes best suited for diverse environmental conditions.
Methods
The study investigated 167 bean genotypes, comprising 84 climbing and 83 bush varieties, sourced from Burundi’s National Gene Bank at ISABU. This diverse germplasm included improved varieties released between 1990 and 2024, advanced breeding lines, and landraces, representing both the Andean and Mesoamerican gene pools. The genotypes exhibited significant variation in seed size, shape, and color, with MAC44 and RWR2245 serving as regional checks for biofortified varieties. The experimental design utilized an unbalanced lattice design with three replicates across two cropping seasons (2024A and 2024B) at three ISABU research stations, ensuring a comprehensive evaluation of the genotypes under varying agro-ecological conditions.
The trials were conducted at Bukemba, Karusi, and Murongwe, each characterized by distinct climatic and soil conditions. Soil analyses indicated varying levels of essential nutrients, with deficiencies in nitrogen, phosphorus, and zinc across sites. To enhance soil fertility, organic matter was applied, and standard agronomic practices were followed, including the use of organic manure and organo-mineral fertilizers. Meteorological data were meticulously recorded, and manual weed management was employed throughout the rain-fed trials, ensuring a controlled environment for evaluating the performance of the bean genotypes.
Results
The study investigated the effects of genotype (G), environment (E), and genotype-by-environment interaction (GEI) on grain yield and micronutrient content in common beans (Phaseolus vulgaris L.) across 83 bush and 84 climbing genotypes in Burundi during two growing seasons (2024A-2024B). Using the AMMI model, the analysis revealed highly significant effects (p < 0.001) of both genotype and environment on grain yield, iron (Fe), and zinc (Zn) concentrations, with notable GEI for most traits. Genotypic variation was substantial, with Fe concentrations ranging from 52.86 to 76.5 ppm in bush beans and 53.38 to 59.7 ppm in climbing beans, Zn concentrations between approximately 17 to 23 ppm, and grain yields varying from about 950 to 2240 kg ha⁻¹. Further analyses, including AMMI and GGE biplots, identified stable, high-performing genotypes across different environments, distinguishing between stable genotypes and those adapted to specific conditions. Broad-sense heritability estimates indicated high heritability for Fe and Zn (h² = 0.68-0.82) but lower heritability for yield (h² ≈ 0.30-0.33). The multi-trait selection index (MTSI) was effective in identifying genotypes that combined high yield with micronutrient density. These findings underscore the importance of multi-environment selection in breeding programs aimed at developing high-yielding, nutrient-rich common beans suitable for diverse agro-ecological contexts.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant environmental influences on iron (Fe), zinc (Zn), and grain yield in common bean genotypes across different locations in Burundi. The study found that site-specific conditions, such as soil properties and climatic factors, played a crucial role in determining the expression of these traits, corroborating findings from previous studies on common beans and other legumes. Notably, there was substantial genetic variability among the evaluated genotypes, indicating potential for selection and breeding aimed at enhancing both productivity and nutritional quality. The presence of significant genotype-by-environment (G×E) interactions underscores the necessity for multi-environment trials to identify stable and broadly adapted genotypes.
The AMMI model analysis revealed that the first two principal components (PCA1 and PCA2) accounted for a large portion of the G×E variation, with PCA1 capturing the primary patterns of interaction. This suggests that successful genetic improvement for Fe and Zn concentrations must consider both genetic potential and environmental suitability, particularly in contexts of low soil fertility and climatic variability. The findings emphasize the complexity of biofortification efforts and the importance of understanding the interplay between genotype and environment in optimizing micronutrient accumulation in common beans.