El guayule (A. Gray) es una fuente doméstica valiosa de caucho y resina. En su centro de origen en los desiertos del norte de México y el sur de Texas, el guayule, un arbusto perenne, se hibrida con su especie relacionada, la mariola (Kunth). Dado que el caucho y la resina son los principales productos derivados del guayule, hay interés en utilizar el bagazo de guayule como materia prima para bioenergía para satisfacer la creciente demanda de bioenergía y biocombustibles. Este estudio tuvo como objetivo explorar y caracterizar la diversidad fenotípica en los constituyentes de la pared celular (lignina, celulosa y hemicelulosa) y sus rendimientos entre 51 genotipos de guayule y mariola bajo dos regímenes de riego (bien regados y con estrés hídrico). Se observaron efectos genotípicos y ambientales significativos para las concentraciones y rendimientos de lignina, celulosa y hemicelulosa, lo que indica la amplia variabilidad genética de la colección para rasgos relacionados con la bioenergía. Los valores de heredabilidad de media de entrada de moderados a altos para lignina, celulosa y hemicelulosa sugieren que la selección es factible para mejorar el rendimiento genético. Se encontraron correlaciones positivas significativas entre las concentraciones y rendimientos de celulosa y hemicelulosa, lo que indica la posibilidad de seleccionar múltiples rasgos juntos durante los ciclos de cría. Las altas correlaciones positivas entre el caucho y la resina y los rendimientos de lignina, celulosa y hemicelulosa destacan la oportunidad de desarrollar germoplasma de guayule con rasgos multiuso mejorados para aplicaciones industriales. Las amplias variaciones en los índices de estrés por sequía (índice de tolerancia al estrés, índice de rendimiento e índice de estabilidad de rendimiento) subrayan el impacto ambiental en los rasgos lignocelulósicos. Se identificaron varios genotipos con altas puntuaciones en el índice de estrés y podrían ser candidatos parentales para mejorar el guayule para sistemas agrícolas sostenibles áridos y semiáridos. El estudio actual es el primero en caracterizar las diversidades fenotípicas en guayule y mariola para componentes y rendimiento lignocelulósicos, proporcionando la base para futuros esfuerzos de cría destinados a mejorar el valor del guayule para diversos objetivos de producción y condiciones ambientales.