Agronomic and molecular characterisation of cowpea (Vigna unguiculata) populations from the Northern Thailand

การประเมินลักษณะทางพืชไร่และโมเลกุลของประชากรถั่วพุ่ม (Vigna unguiculata) จากภาคเหนือของประเทศไทย

Name: Muhammad Zahrulakmal bin Ahmad Mahir

LCSH: Vigna unguiculata -- Planting

LCSH: Vigna unguiculata -- Breeding

LCSH: Vigna unguiculata -- Thailand, Northern

Abstract: Cowpea (Vigna unguiculata [L.] Walp.) is a globally significant annual herbaceous legume, cultivated for its seed grains, vegetable leaves, animal fodder, cover crop and green fertilizer. Despite its hardiness and adaptability to various conditions, including drought and low soil pH, cowpea’s genetic base is narrow due to a bottleneck event during domestication. This self-pollinating plant causes low genetic heterozygosity and high inbreeding. Breeders can create new cowpea varieties by integrating genes from wild cowpea, making the conservation of cowpea’s genetic constitution vital for future breeding programs. Molecular characterisation markers, such as Start Codon Targeted (SCoT), offer more effective genetic characterisation than traditional methods, unaffected by environmental influences or plant growth phases. These genetic resources form the basis of food security and sustainable agricultural development, providing options for developing resistant, productive crops. Therefore, we would like to see the morphologies and agronomical characteristics within and between populations of cowpea, at the same time analyses the seed quality content and the genetic diversity in molecular level using SCoT markers. This research was carried out using twenty-one cowpea accessions sampled from provinces of Northern Thailand, particularly from Chiang Mai, Nan, Phrae, and Tak. One commercial variety of cowpea was added and used as a control. Three experiments were set up to characterize the plants, evaluate the quality of the seeds, and analyse the genetic structure of the collected cowpea accessions to understand the diversity within and among the populations. The research began by identifying the morphologies and the agronomical characteristics of the cowpea accessions. These were done by growing all twenty-one of the cowpea accessions with one commercial cowpea variety as a control in an open field. The evaluations were done using 31 parameters where 17 were qualitative characteristics and 14 quantitative characteristics. Most of the characteristics ; seed eye pattern, seed eye colour, growth vigor, growth habit, twinning, terminal leaflet shape, leaflet colour, leaflet texture, flower colour, raceme position, fresh pod colour, dry pod color, were monomorphic within populations of the cowpea accessions. However, polymorphism within the populations was present, particularly in the seeds which are seed shape, seed colour, seed texture, and seed pattern distribution. Diversity among the populations in the plant characteristics can be observed by comparison between provinces. Diversity was discovered highest in Tak (6.035) and lowest in Phrae (0.7931). Chiang Mai and Nan have almost the same diversities, 4.548 and 4.360 respectively. The agronomical characteristics: plant canopy height, plant canopy width, terminal leaflet length, leaflet width, stem girth, number of branches, days to 50% flowering, number of racemes, pod length and pod width, seed dimensions (length x width x thickness), hundred seed weight among the populations were all significantly different statistically. The principal component analysis captures 44.64% of the agronomic characters which are mainly driven by seed length, hundred seed weight, seed thickness, terminal leaflet width, terminal leaflet length, and pod width. The yield of the harvested cowpea seeds was analysed to determine the seed’s major nutritional content. The seed moisture and the seed fat content were not significant. Nonetheless, the seed fiber, seed ash, seed protein, seed carbohydrate, seed iron, and the energy content were significant between the accessions. The young leaf of the cowpea’ DNA was extracted for genetic analysis using the SCoT marker. Three accessions were randomly selected from each province and from the selected accessions, five samples were used to represent them. Ten primers of SCoT were chosen to be performed in the PCR reactions. The AMOVA analysis found that 70% of variation was within populations and the remaining 30% of variation was among the population. The genetic variation, GST value was higher (0.41) and the gene flow, Nm value of 0.72 that proves indicate the existence of divergence and gene flow within the population. The PCoA had separated the population into two major groups between populations of Tak with the rest of the accessions (Chiang Mai, Nan, Phrae). These many variations in morphologies and agronomy shown across the cowpea accessions would benefit many. There is great potential to integrate these variations into the breeding lines, which could aid in developing a superior cowpea variety that is more adapted to the local conditions and simultaneously fulfils market demand. With this approach, extensive information can be yielded which may benefit many sectors.

Abstract: ถั่วพุ่ม (Vigna unguiculata [L.] Walp.) เป็นพืชตระกูลถั่วล้มลุกที่มีความสำคัญทั่วโลก นิยมปลูกเพื่อการบริโภคในรูปแบบการรับประทานฝักสด และใช้ประโยชน์ในหลายลักษณะ เช่น เป็นแหล่งโปรตีนในอาหารสัตว์ และใช้ปลูกในรูปแบบของพืชคลุมดิน หรือไถกลบเป็นปุ๋ยพืชสด ซึ่งสามารถปรับปรุงบํารุงดินได้ดี ถั่วพุ่มมีความทนทานและปรับตัวได้ดีในสภาพแวดล้อมต่างๆ รวมถึงภาวะแห้งแล้งและดินที่มีความเป็นกรดต่ำ แต่อย่างไรก็ตามถั่วพุ่มมีฐานพันธุกรรมแคบ เนื่องจากปรากฏการณ์คอขวด (genetic bottleneck) ที่เกิดขึ้นระหว่างการเพาะปลูก หรือจากการเก็บเมล็ดพันธุ์เพื่อนำไปปลูกต่อในรุ่นถัดไป รวมทั้งถั่วพุ่มยังเป็นผสมตัวเองอีกด้วย จึงทำให้ถั่วพุ่มมีความหลากหลายทางพันธุกรรมต่ำและพบความเสื่อมถอยทางพันธุกรรมสูงเนื่องจากการผสมตัวเอง (inbreeding) นักปรับปรุงพันธุ์สามารถปรับปรุงพันธุ์ถั่วพุ่มให้ได้สายพันธุ์ใหม่ โดยการผสมยีนจากถั่วพุ่มป่า การอนุรักษ์ฐานพันธุกรรมของถั่วพุ่มจึงมีความสำคัญสำหรับโครงการปรับปรุงพันธุ์ในอนาคต การใช้เครื่องหมายโมเลกุลสามารถจำแนกทางลักษณะทางพันธุกรรมที่มีประสิทธิภาพ และเป็นประโยชน์มากกว่าวิธีการแบบดั้งเดิม และไม่ได้รับผลกระทบจากอิทธิพลของสิ่งแวดล้อมหรือช่วงการเจริญเติบโตของพืช ซึ่งทรัพยากรพันธุกรรมเหล่านี้เป็นพื้นฐานของความมั่นคงทางอาหารและการพัฒนาการเกษตรอย่างยั่งยืน โดยเพิ่มทางเลือกในการพัฒนาพืชที่มีความต้านทานและให้มีผลผลิตสูง ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงได้ประเมินลักษณะประชากรถั่วพุ่ม จากภาคเหนือของประเทศไทย โดยการประเมินลักษณะทางสัณฐานวิทยาและลักษณะสัณฐานพืชไร่ รวมถึงศึกษาความหลากหลายทางพันธุกรรมโดยใช้เครื่องหมายโมเลกุลชนิด Start Codon Targeted marker (SCoT). การวิจัยครั้งนี้ดำเนินการโดยใช้สายพันธุ์ถั่วพุ่ม 21 สายพันธุ์จากจังหวัดต่างๆ ในภาคเหนือของประเทศไทย ได้แก่ เชียงใหม่ น่าน แพร่ และตาก รวมถึงถั่วพุ่มเชิงพาณิชย์ 1 พันธุ์ ใช้เป็นพันธุ์เปรียบเทียบ โดยการทดลองประกอบด้วย 3 ส่วน คือ การประเมินลักษณะทางสัณฐานวิทยาและลักษณะทางพืชไร่ การวิเคราะห์คุณภาพของเมล็ด และการวิเคราะห์โครงสร้างทางพันธุกรรมของสายพันธุ์ถั่วพุ่มที่เก็บรวบรวม เพื่อศึกษาความหลากหลายทั้งภายในและระหว่างประชากร การวิจัยเริ่มต้นด้วยการประเมินลักษณะทางสัณฐานและลักษณะทางพืชไร่ของสายพันธุ์ถั่วพุ่ม โดยปลูกสายพันธุ์ถั่วพุ่ม 21 สายพันธุ์ และพันธุ์เชิงพาณิชย์่ 1 พันธุ์ ใช้เป็นพันธุ์เปรียบเทียบในแปลงทดลอง การประเมินลักษณะทางสัณฐานและลักษณะทางพืชไร่ทั้งหมด 31 ลักษณะ แบ่งเป็นลักษณะเชิงคุณภาพ 17 ลักษณะ และลักษณะเชิงปริมาณ 14 ลักษณะ โดยไม่พบความแตกต่างภายในประชากร ในลักษณะของ รูปแบบตาเมล็ด สีตาเมล็ด ความแข็งแรงในการเจริญเติบโต ลักษณะการเจริญเติบโต การเกาะเกี่ยว รูปร่างใบย่อย สีแผ่นใบย่อย ลักษณะแผ่นใบย่อย สีดอก ตำแหน่งของช่อดอก สีฝักสด และสีฝักแห้ง เป็นต้น ในขณะเดียวกันพบความหลากหลายภายในประชากรในลักษณะรูปร่างเมล็ด สีเมล็ด เนื้อสัมผัสเมล็ด และการกระจายตัวของลวดลายบนเมล็ด และพบความหลากหลายระหว่างประชากรในทุกลักษณะ เมื่อเปรียบเทียบประชากรแต่ละจังหวัด โดยพบว่าจังหวัดตากมีค่าความหลากหลายสูงที่สุด (H’= 6.035) และพบค่าความหลากหลายต่ำที่สุดในจังหวัดแพร่ (H’= 0.7931) ในขณะที่จังหวัดเชียงใหม่และน่านมีค่าความหลากหลายไม่แตกต่างกัน โดยมีค่าดัชนีความหลากหลายเท่ากับ 4.548 และ 4.360 ตามลำดับ เมื่อประเมินลักษณะสัณฐานทางพืชไร่ ได้แก่ ความสูงของทรงพุ่ม ความกว้างของทรงพุ่ม ความยาวของใบประดับ ความกว้างของใบประดับ ความกว้างของลำต้น จำนวนกิ่ง วันออกดอก 50% จำนวนช่อดอก ความยาวของฝัก และความกว้างของฝัก ความยาวของเมล็ด ความกว้างของเมล็ด ความหนาของเมล็ด น้ำหนักของเมล็ด 100 เมล็ด พบความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญทางสถิติ (P<0.05) ระหว่างประชากร การวิเคราะห์องค์ประกอบหลัก (Principal Component Analysis ; PCA) สามารถอธิบายการกระจายตัวของลักษณะทางพืชไร่ คิดเป็นร้อยละ 44.64 ซึ่งส่วนใหญ่พบการกระจายตัวของข้อมูลในลักษณะความยาวเมล็ด น้ำหนักเมล็ด 100 เมล็ด ความหนาของเมล็ด ความกว้างของใบย่อย ความยาวของใบย่อย และความกว้างของฝัก สุ่มเก็บตัวอย่างเมล็ดถั่วพุ่มที่ปลูกได้มาวิเคราะห์เพื่อหาปริมาณสารอาหารหลักในเมล็ด พบว่าความชื้นของเมล็ดและปริมาณไขมันในเมล็ดไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ใยอาหาร ปริมาณเถ้า โปรตีนคาร์โบไฮเดรตธาตุเหล็ก และปริมาณพลังงานมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างสายพันธุ์ ในส่วนของการศึกษาความหลากหลายทางพันธุกรรมโดยใช้เครื่องหมายโมเลกุลชนิด SCoT เก็บตัวอย่างใบอ่อนของถั่วพุ่ม ทั้งหมด 3 สายพันธุ์จากแต่ละจังหวัด จำนวนประชากรละ 5 ต้น สกัดดีเอ็นเอ (DNA) ด้วยวิธี CTAB เพิ่มปริมาณ DNA ด้วยปฏิกิริยา Polymerase Chain Reaction (PCR) โดยใช้ไพรเมอร์ SCoT จำนวน 10 ตำแหน่ง จากการวิเคราะห์ AMOVA พบความหลากหลายภายในประชากร (70%) และความหลากหลายระหว่างประชากร (30%) เมื่อเปรียบเทียบระหว่างประชากรพบความหลากหลายทางพันธุกรรม โดยมีค่า GST สูงขึ้น (0.41) และค่าของ gene flow (Nm) อยู่ที่ 0.72 บ่งชี้ถึงความแตกต่างและการถ่ายเทเคลื่อนย้ายยีนภายในประชากร จากการจำแนกกลุ่มของประชากรโดยใช้การวิเคราะห์ปัจจัยหลัก, Principle Coordinate of Analysis (PCoA) สามารถแบ่งกลุ่มของประชากรออกเป็น 2 กลุ่มหลัก ระหว่างประชากรของจังหวัดตากและประชากรในจังหวัดอื่นๆ (เชียงใหม่ น่าน แพร่) ความหลากหลายที่ พบในลักษณะทางสัณฐานและลักษณะทางพืชไร่ที่แสดงออกในสายพันธุ์ถั่วพุ่มนี้จะเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงและพัฒนาพันธุ์ถั่วพุ่มในอนาคต มีศักยภาพ อย่างมากในการผสมผสานความหลากหลายเหล่านี้เข้ากับสายพันธุ์ปรับปรุง ซึ่งจะช่วยในการพัฒนาสายพันธุ์ถั่วพุ่มที่เหนือกว่า ที่สามารถปรับตัวได้ดีขึ้นต่อสภาพท้องถิ่นและในขณะเดียวกันก็สามารถตอบสนองความต้องการของตลาด ทั้งนี้ ข้อมูลที่ได้จากการศึกษาในครั้งนี้อาจเป็นประโยชน์ในหลายภาคส่วน

Chiang Mai University. Library

Address: CHIANG MAI

Email: cmulibref@cmu.ac.th

Name: Sansanee Jamjod

Role: Advisor

Name: Tonapha Pusadee

Role: Advisor

Name: Chanakan Prom-u-thai

Role: Advisor

Created: 2024

Modified: 2024-12-22

Issued: 2024-12-22

วิทยานิพนธ์/Thesis

application/pdf

eng

DegreeName: Master of Science

Level: Master's Degree

Descipline: Agronomy

Grantor: Chiang Mai University

©copyrights Chiang Mai University

ลำดับที่.	ชื่อแฟ้มข้อมูล	ขนาดแฟ้มข้อมูล	จำนวนเข้าถึง	วัน-เวลาเข้าถึงล่าสุด
1	640831015.pdf	1.02 MB

ใช้เวลา

0.043122 วินาที