Morphological Diversity Analysis of capsicum annum using an Image-Based Method for crop Improvement

Abstract

Chili is a valuable crop with many uses, including as a source of flavour and nutrition. To develop new varieties with desirable traits, it is important to analyze the genetic diversity of chili germplasm. Traditional methods of analysis can be time-consuming and labour-intensive. Therefore, this study aimed to improve crop breeding and production by using image-based methods to analyse the morphological diversity of chili germplasm. The study analysed 188 accessions of Capsicum annuum from 36 countries, and the geographic origin data for each accession was obtained from the National Seed Resources in Korea. The study focused on three leaf traits and their correlation with stem angle, length, and thickness, as well as fruit area, length, width, and thickness. Additionally, the correlation between flower area and fruit characteristics were also studied. The results showed significant variability in leaf area, leaf length, and leaf width among the two populations (K=2), with CV values of 0.38, 0.18, and 0.22, respectively. The average leaf area was 5,317mm2, while the average leaf length ranged from 100 to 166mm and the average leaf width ranged from 45 to 75mm. The average stem length ranged from 180 to 301mm, and the thickness ranged from 15 to 26mm. The study also found that the average fruit area was 169.76mm2 with a CV value of 0.79. The average fruit length ranged from 21 to 35mm, while the average fruit width ranged from 5.4 to 9mm. Furthermore, the study identified significant diversity in qualitative characteristics such as flower area. The results indicated that leaf area, width, and length are strongly correlated with flowering and fruit production in chili genotypes. The principal component analysis (PCA) showed a variation of 43.09% and 18.1% among leaf, stem, fruit and flower traits. There was a strong correlation among leaf, fruit and flower traits as compared to stem traits. Additionally, three traits, including flower area, fruit thickness, and fruit area, were identified as crucial for describing a breed. The study's results can contribute to the advancement of breeding programs, enabling the development of improved chili varieties that meet the requirements of consumers and producers. Utilizing advanced genotyping and phenotyping technologies, along with a more comprehensive understanding of the underlying genetic and physiological processes that govern these characteristics, breeders can develop crops that better fulfil these expectations. These findings may aid in the development of more resilient and high-yielding chili varieties. |고추는 풍미와 영양의 원천을 포함하여 다양한 용도로 사용되는 작물로서, 유전적 다양성을 분석하여 새로운 품종 개발이 필요하다. 바람직한 형질을 가진 새로운 품종을 개발하기 위해 고추 생식세포의 유전적 다양한 분석이 중요하다. 기존의 분석 방법은 시간과 노동 집약적일 수 있다. 따라서 본 연구는 이미지 기반 방법을 사용하여 고추 생식세포의 형태적 다양성을 분석함으로써 작물 육종과 생산을 개선하는 것을 목표로 한다. 연구방법은 다음과 같다. 본 연구는 36개국에서 수집한 188개의 고추 계통을 분석하였으며, 각 계통의 지리적 원산지 데이터는 국립종자원에서 확보하였다. 연구 분석은 잎의 너비, 길이, 면적, 가지의 각도, 길이, 두께, 열매의 면적, 길이, 너비, 두께와의 상관관계에 초점을 맞췄으며, 추가로 꽃의 면적과 열매 형질 간의 상관관계를 분석하였다. 연구 결과, 잎의 면적, 잎의 길이, 잎의 폭은 두 집단(K=2) 간에 각각 0.38, 0.179, 0.22의 CV값으로 유의미한 변동성이 있는 것으로 나타났다. 평균 잎의 면적은 5,317mm2, 평균 잎의 길이는 100~166mm, 평균 잎의 폭은 45~75mm 범위였으며, 평균 가지의 길이는 180~301mm, 두께는 15~26mm 범위를 보였다. 또한 평균 열매의 면적은 169.76mm2이고 CV 값은 0.79로 나타났으며, 평균 열매의 길이는 21~35mm, 평균 열매의 너비는 5.4~9mm 범위였다. 이로서 꽃 면적과 같은 질적 특성에서도 상당한 다양성을 확인 하였다. 또한 잎의 면적, 너비, 길이가 고추 유전자형에서 개화 및 과실 생산과 밀접한 상관관계가 있는 것으로 나타났다. PCA는 잎, 가지, 열매, 꽃 특성 간에 43.09%와 18.1%의 변이를 보였다. 가지 형질에 비해 잎, 열매, 꽃 형질 간에 강한 상관관계가 나타났다. 이로서 꽃 면적, 과실 두께, 과실 면적 등 세 가지 특성이 품종을 설명하는 데 중요한 것으로 확인되었다. 결과적으로 본 연구는 육종 프로그램의 발전에 기여하여 소비자와 생산자의 요구 사항을 충족하는 개량된 고추 품종을 개발할 수 있음을 밝혔다. 본 연구로 인해 육종가들은 첨단 유전자형 및 표현형 분석 기술을 활용하고 이러한 특성을 좌우하는 근본적인 유전적 및 생리적 과정에 대한 보다 포괄적인 이해를 바탕으로 이러한 기대치를 더 잘 충족하는 작물을 개발할 수 있으며, 나아가 본 연구의 결과는 더 탄력 있고 수확량이 많은 고추 품종을 개발하는 데 도움이 될 수 있다.