Μεταλλαξιγένεση μέσω γ-ακτινοβολίας σε ποικιλίες μπιζελιού: αξιολόγηση απόδοσης, βιοχημικής σύστασης και αντοχής σε βιοτική καταπόνηση στις πρώτες γενιές

Abstract

Pea (Pisum sativum L.) is one of the most important legume crops, valued for its high nutritional content, significant protein levels, and its capacity to improve soil fertility through nitrogen fixation. Its production is often constrained by biotic factors, such as pathogens and insects, as well as by abiotic stresses, which adversely affect yield and quality, thereby underscoring the need to improve agronomic traits, nutritional value, and stress resilience. Mutation breeding through gamma irradiation represents an effective tool for generating genetic diversity and selecting plants with desirable traits without introducing foreign DNA. The aim of this research was to apply gamma irradiation to three pea varieties (Dodoni, Early Onward, Rondo) to produce M1 and M2 generations and identify plants with improved agronomic, biochemical, and tolerance traits. This research contributes to the development of sustainable legume breeding strategies, utilizing mutation breeding as a tool to increase genetic diversity and optimize multifactorial traits related to productivity, nutritional value, and pathogen resistance. The study included the evaluation of agronomic parameters (plant height, number of pods, seeds per plant, biomass, 1000-seed weight), seed biochemical composition (Fe, Zn, Mn, Cu, protein, phenolics, antioxidant capacity, protease activity), and tolerance to the fungus Didymella pinodes through detached leaf bioassays. The results demonstrated that gamma irradiation generated substantial phenotypic variability across all levels. Regarding agronomic traits, families DMIV35, DMIII10, and EOMIV3 showed significant increases in seeds per plant and 1000-seed weight, while DMIV58 and DMIV11 stood out for pod number and biomass production. At the biochemical level, plants DMIII46-14, DMIII46-5, DMIII11-17, and DMIV51-12 combined high Fe and Zn content, increased phenolics, and enhanced antioxidant capacity. The combination of these traits endows these plants with increased nutritional value, making them promising candidates for biofortification. For D. pinodes tolerance, plants DMIV21-11, DMIV36-4, DMIV49-4, and DMIV49-16 exhibited reduced infection rates, suggesting potential enhancement of defense mechanisms. Comparison across the three thematic levels revealed that the improvement of one trait does not necessarily result in enhancement at other levels, a phenomenon consistent with antagonistic pleiotropy. Nevertheless, certain plants, particularly in families DMIII46, DMIII11, and DMIV36, exhibited balanced traits and represent promising genotypes for further evaluation combining agronomic, biochemical, and resistance characteristics. This research advances knowledge on the dynamics of gamma irradiation as a mutagenic agent, provides a functional model for selecting potentially improved irradiated plants with multifactorial advantages, and lays the groundwork for developing pea varieties with enhanced characteristics. Additionally, the findings highlight the importance of individual plant selection in early mutant generations and offer prospects for targeted genetic improvement through combined selection strategies focusing on agronomic performance, nutritional value, and pathogen resistance. Overall, this research enriches understanding of gamma irradiation’s potential, delivers novel genetic materials with multifactorial benefits, and supports the establishment of a sustainable, “green” approach to legume breeding aligned with modern agricultural needs and food security.

Το μπιζέλι (Pisum sativum L.) αποτελεί μία από τις σημαντικότερες καλλιέργειες ψυχανθών, με υψηλή θρεπτική αξία, σημαντική περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες και ικανότητα βελτίωσης της γονιμότητας του εδάφους μέσω αζωτοδέσμευσης. Η παραγωγή του συχνά περιορίζεται από βιοτικούς παράγοντες, όπως παθογόνα, έντομα, αλλά και από αβιοτικούς παράγοντες καταπόνησης, οι οποίοι επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση και την ποιότητα, γεγονός που υπογραμμίζει την ανάγκη για βελτίωση αγρονομικών χαρακτηριστικών, θρεπτικής αξίας και ανθεκτικότητας. Η μεταλλαξιγένεση μέσω γ-ακτινοβολίας αποτελεί ένα αποτελεσματικό εργαλείο δημιουργίας γενετικής ποικιλότητας και επιλογής φυτών με επιθυμητά χαρακτηριστικά, χωρίς την ανάγκη εισαγωγής ξένου DNA. Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν ο εντοπισμός φυτών με βελτιωμένα αγρονομικά και βιοχημικά χαρακτηριστικά καθώς και χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας σε καταπονήσεις μέσω εφαρμογής γ-ακτινοβολίας σε τρεις ποικιλίες μπιζελιού (Dodoni, Early Onward, Rondo) για τη δημιουργία Μutagenized 1 (M1) και M2 γενεών. Η έρευνα αυτή εντάσσεται στο πλαίσιο της ανάπτυξης βιώσιμων στρατηγικών γενετικής βελτίωσης ψυχανθών, αξιοποιώντας τη μεταλλαξιγένεση ως εργαλείο αύξησης της γενετικής ποικιλότητας και βελτιστοποίησης χαρακτηριστικών που σχετίζονται με την παραγωγικότητα, τη θρεπτική αξία και την ανθεκτικότητα σε παθογόνα. Η μελέτη συμπεριέλαβε την αξιολόγηση αγρονομικών παραμέτρων (ύψος, αριθμός λοβών, σπόρων, βιομάζα, βάρος 1000 σπόρων), βιοχημικής σύστασης σπόρων (Fe, Zn, Mn, Cu, πρωτεΐνη, φαινόλες, αντιοξειδωτική ικανότητα, αναστολή πρωτεασών) και ανεκτικότητας στον μύκητα Didymella pinodes μέσω βιοδοκιμών σε αποκομμένα φύλλα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η γ-ακτινοβολία δημιούργησε έντονη φαινοτυπική παραλλακτικότητα σε όλα τα επίπεδα. Στα αγρονομικά χαρακτηριστικά, τρεις από τις εκατό οικογένειες (DMIV35, DMIII10 και EOMIV3) παρουσίασαν σημαντική αύξηση στον αριθμό σπόρων ανά φυτό και στο βάρος 1000 σπόρων, ενώ δύο (DMIV58 και DMIV11) ξεχώρισαν για τον αριθμό λοβών και την παραγωγή βιομάζας. Στο επίπεδο βιοχημικών χαρακτηριστικών, από τα 55 δείγματα άτομα τα τέσσερα (DMIII46-14, DMIII46-5, DMIII11-17 και DMIV51-12) συνδύασαν υψηλή περιεκτικότητα σε Fe και Zn, αυξημένες φαινόλες και ενισχυμένη αντιοξειδωτική ικανότητα. Η συνύπαρξη αυτών των χαρακτηριστικών προσδίδει στα φυτά αυτά αυξημένη διατροφική αξία, καθιστώντας τα υποψήφια για βιοενίσχυση τροφίμων. Στην ανεκτικότητα στον D. pinodes, από τις 16 οικογένειες που μελετήθηκαν σε τρεις από αυτές εντοπίστηκαν τέσσερα φυτά άτομα (DMIV21-11, DMIV36-4, DMIV49-4 και DMIV49-16) που εμφάνισαν μειωμένο ποσοστό μόλυνσης, υποδεικνύοντας πιθανή ενίσχυση αμυντικών μηχανισμών. Η σύγκριση των τριών θεματικών επιπέδων ανέδειξε ότι η βελτίωση ενός χαρακτηριστικού συχνά συνοδεύεται από την υποβάθμιση ή τη μη ανταπόκριση ενός άλλου. Το φαινόμενο αυτό υποδεικνύει την ύπαρξη αρνητικών γενετικών συσχετίσεων, οι οποίες ενδέχεται να οφείλονται σε ανταγωνιστική πλειοτροπία. Ωστόσο, ορισμένα φυτά, όπως οι οικογένειες DMIII46, DMIII11 και DMIV36, παρουσίασαν ισορροπημένα χαρακτηριστικά και αποτελούν υποψήφιους γονότυπους για περαιτέρω αξιολόγηση συνδυασμού αγρονομικών, βιοχημικών ιδιοτήτων και ανθεκτικότητας σε καταπονήσεις. Η παρούσα διατριβή ενισχύει τη γνώση γύρω από τη δυναμική της γ-ακτινοβολίας ως μεταλλαξιγόνου παράγοντα, παρέχει ένα λειτουργικό μοντέλο επιλογής δυνητικά μεταλλαγμένων φυτών με συνδυασμό επιθυμητών χαρακτηριστικών και θέτει τις βάσεις για τη δημιουργία ποικιλιών μπιζελιού με βελτιωμένα χαρακτηριστικά. Επιπλέον, τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τη σημασία της επιλογής σε επίπεδο μεμονωμένου φυτού στις πρώτες γενιές φυτών που έχουν δεχτεί ακτινοβολία και προσφέρουν προοπτικές για στοχευμένη γενετική βελτίωση μέσω συνδυαστικών στρατηγικών επιλογής σε αγρονομικά, θρεπτικά και χαρακτηριστικά ανθεκτικότητας. Συνολικά, η έρευνα αυτή εμπλουτίζει τη γνώση για τη δυναμική της γ-ακτινοβολίας ως μεταλλαξιγόνου παράγοντα, προσφέρει νέα γενετικά υλικά με πολυπαραγοντικά πλεονεκτήματα και συμβάλλει στη θεμελίωση μιας βιώσιμης, “πράσινης” προσέγγισης βελτίωσης ψυχανθών, προσαρμοσμένης στις ανάγκες της σύγχρονης γεωργίας και της επισιτιστικής ασφάλειας.