引進(jìn)甘蔗種質(zhì)資源雜交后代適應(yīng)性評(píng)價(jià)

蔣洪濤，崔新迪，趙麗九，許譽(yù)芝，陳保善，張木清

（1.廣西大學(xué)廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧 530004；2.福建農(nóng)林大學(xué)國家甘蔗工程技術(shù)研究中心，福州 351102；3.廣西大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物和經(jīng)濟(jì)作物，主要分布于廣西、云南、廣東、福建等省份，是保證我國糖業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。近幾年隨著人們生活水平的提高，對(duì)糖料的需求也不斷增加，選育高產(chǎn)甘蔗品種，是目前急需解決的關(guān)鍵問題[1-2]。復(fù)雜的多倍體結(jié)構(gòu)、遺傳基礎(chǔ)狹窄等因素，給甘蔗的遺傳育種帶來了巨大困難[3-4]。甘蔗種質(zhì)資源是甘蔗高效育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，引進(jìn)優(yōu)異種質(zhì)資源，對(duì)豐富我國甘蔗種質(zhì)資源和甘蔗品種改良具有重要意義，而育種材料的科學(xué)選配是甘蔗雜交育種的關(guān)鍵所在[5-7]。因此對(duì)引進(jìn)的甘蔗品種（系）進(jìn)行種質(zhì)資源評(píng)價(jià)有助于科學(xué)地篩選優(yōu)良的育種材料，促進(jìn)甘蔗雜交育種取得新的突破，進(jìn)而保障甘蔗產(chǎn)業(yè)高效健康發(fā)展。目前，對(duì)甘蔗種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)主要分布在兩個(gè)方向，一是對(duì)甘蔗種質(zhì)的農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)，通過對(duì)種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的實(shí)際測量，實(shí)現(xiàn)對(duì)種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)和分類。趙勇等[8]采用重要農(nóng)藝性狀快速分級(jí)的方法對(duì)甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，為種質(zhì)資源的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和雜交利用提供參考。趙俊等[9]對(duì)113份從國外引進(jìn)的甘蔗種質(zhì)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行研究，將這些種質(zhì)根據(jù)農(nóng)藝性狀劃分為7類，為雜交組合選配及甘蔗品種改良提供指導(dǎo)。高三基等[10]對(duì)14個(gè)甘蔗品種經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行因子分析及聚類分析，為甘蔗雜交育種和種質(zhì)資源的篩選提供參考。二是從分子角度利用現(xiàn)在不斷發(fā)展的分子標(biāo)記技術(shù)SSR[11]、AFLP[12-14]等對(duì)甘蔗種質(zhì)資源在分子遺傳上進(jìn)行探究。蘇火生等[15]利用SSR 分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)40份國外甘蔗品種進(jìn)行品種鑒定，對(duì)國外品種的收集保存和快速準(zhǔn)確鑒定提供技術(shù)基礎(chǔ)與理論依據(jù)。因此，本研究對(duì)引進(jìn)的24份甘蔗種質(zhì)進(jìn)行農(nóng)藝性狀分析，利用目前應(yīng)用分析成熟的主成分分析、回歸分析及通徑分析3 種分析方法[16-19]，對(duì)引種材料的適宜性、農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，篩選出影響甘蔗產(chǎn)量的主要農(nóng)藝性狀，為甘蔗種質(zhì)資源的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和雜交育種材料的科學(xué)選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試甘蔗材料是廣西大學(xué)張木清教授于2012 年在美國農(nóng)業(yè)部運(yùn)河點(diǎn)育種站按照常規(guī)雜交育種技術(shù)選擇5 個(gè)甘蔗組合：母本HOCP01-157×父本CP14-0969、母本CP49-50×父本CP96-1252、母本CP88-1762×父本CP96-1252、母本CP00-1100×父本Q209、母本CP89-2143×父本CP72-1210；雜交所得9 個(gè)甘蔗花穗，帶回國后經(jīng)過雜種圃和選種圃后選擇出24 個(gè)糖分、產(chǎn)量和抗逆性較好的甘蔗材料（如表1），在對(duì)24 個(gè)甘蔗材料進(jìn)行品比的同時(shí)進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)照品種為廣西本地主栽品種ROC22（新臺(tái)糖22號(hào)）。

表1 試驗(yàn)材料的來源Table 1 Origin of materials

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)和田間種植

試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)南寧市武鳴區(qū)（北緯22°59′58″～23°33′16″、東經(jīng)107°49′26″～108°37′22″），屬亞熱帶季風(fēng)性氣候，光熱充足，雨量充沛，夏季炎熱多雨，春秋季易旱，冬季溫暖少雨，偶有霜雪。年平均氣溫21.7℃。

田間種植于2014—2017 年在武鳴科研基地（南寧市武鳴區(qū)鑼圩鎮(zhèn)華僑農(nóng)場）進(jìn)行。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)試驗(yàn)材料種植666.7 m2（1 畝），行距1.2 m，設(shè)置3 次重復(fù)，共2 000 m2（3 畝）。于2014 年3 月、2015 年3 月進(jìn)行兩年新植，種植密度為每公頃45 000 個(gè)雙芽段，雙行品字形擺種，四周設(shè)置保護(hù)行。田間管理同常規(guī)管理。新植蔗于一年砍收后，及時(shí)進(jìn)行宿根管理，開始留宿根繼續(xù)觀察。試驗(yàn)?zāi)晗逓? 年，共計(jì)兩年新植和兩年宿根。

1.2.2 性狀調(diào)查與數(shù)據(jù)分析

參照《甘蔗種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[20]，在甘蔗苗期分別對(duì)出苗率、分蘗率、宿根發(fā)株數(shù)進(jìn)行調(diào)查，在甘蔗成熟期分別對(duì)新宿甘蔗進(jìn)行株高、莖徑、有效莖、單莖重、蔗糖分等農(nóng)藝性狀調(diào)查和品質(zhì)性狀檢測，并計(jì)算蔗莖產(chǎn)量（0.785×株高×莖徑2×有效莖×10-6）和蔗糖產(chǎn)量。

利用Excel與R語言，對(duì)10個(gè)考查性狀進(jìn)行相關(guān)性、主成分、多元回歸、通徑分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 10個(gè)農(nóng)藝性狀的遺傳變異分析

結(jié)果如表2，在這10 個(gè)農(nóng)藝性狀中，各個(gè)性狀均呈現(xiàn)出不同的遺傳變異。變異系數(shù)在6.79%～29.44%，變異豐富。出苗率平均為50.5%，其中GUC29 出苗最好，出苗率為65.0%，GUC10、GUC13 出苗率較差，出苗率不足40%。分蘗率平均為140.2%，其中分蘗最強(qiáng)的品種為GUC15-2，分蘗率為212.2%，分蘗最弱的品種為GUC23-2，僅為71.2%，參試種質(zhì)間分蘗性遺傳變異較大，其中不乏強(qiáng)分蘗性的種質(zhì)。宿根發(fā)株率均值為177.1%，宿根性最好的種質(zhì)為GUC21，宿根率高達(dá)274.1%，宿根性的遺傳變異在不同種質(zhì)之間變化較大，參試種質(zhì)間含有宿根性強(qiáng)的種質(zhì)。同時(shí)，也可以看出，在考察有效莖數(shù)、莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量、蔗糖分、蔗糖產(chǎn)量這6個(gè)產(chǎn)量性狀也表現(xiàn)出不用的遺傳分化。其中蔗糖產(chǎn)量的變異系數(shù)最大，達(dá)到17.97%，其次為蔗莖產(chǎn)量、單莖重、莖徑、蔗糖分、株高，最小是有效莖數(shù)，僅為6.79%。綜合種質(zhì)的各個(gè)性狀，發(fā)現(xiàn)這25個(gè)甘蔗種質(zhì)在分蘗和蔗糖產(chǎn)量上有較大的遺傳改良潛力。

表2 甘蔗種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀變異情況Table 2 Variation of main agronomic traits

2.2 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

對(duì)25 個(gè)甘蔗品種的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（圖1）表明莖徑與單莖重、蔗莖產(chǎn)量、蔗糖產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；單莖重與蔗莖產(chǎn)量、蔗糖產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)；蔗莖產(chǎn)量與蔗糖產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)；萌芽率與宿根發(fā)株率呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；宿根發(fā)株率與蔗莖產(chǎn)量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)。從參試甘蔗主要農(nóng)藝性狀間的簡單相關(guān)性分析可以看出莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量對(duì)蔗糖產(chǎn)量有重要的影響，因此在蔗糖高產(chǎn)品種的篩選評(píng)價(jià)中，首先應(yīng)著重考慮莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量這3個(gè)性狀。

圖1 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of main agronomic traits

2.3 甘蔗主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

由于這10個(gè)農(nóng)藝性狀之間具有多重相關(guān)性，為了避免分析結(jié)果存在誤差，故采用降維處理，對(duì)著10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析。根據(jù)以特征值大于1 作為主成分納入標(biāo)準(zhǔn)，得到4 個(gè)主成分（表3）。結(jié)果表明，第一主成分、第二主成分、第三主成分和第四主成分的貢獻(xiàn)率分別是35.2%、16.5%、15.3%、12.1%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到79.1%，表明這4 個(gè)主成分已經(jīng)覆蓋了所有性狀的主要信息，因此提取了這4 個(gè)主成分作為試驗(yàn)種質(zhì)性狀選擇的主要指標(biāo)。在第一主成分中蔗莖產(chǎn)量的特征向量最大，其次是蔗糖產(chǎn)量；在第二主成分中有效莖數(shù)的特征向量最大，其次是分蘗率；第三主成分中蔗糖分的特征向量最大；在第四主成分中萌芽率的特征向量最大，其次為宿根發(fā)株率。第一主成分的特征值為3.52，貢獻(xiàn)率為35.2%，其中蔗莖產(chǎn)量的載荷量最大，其次為蔗糖產(chǎn)量和莖徑（圖2），表明這3個(gè)性狀具有相互促進(jìn)的作用，這3個(gè)因素同屬產(chǎn)量性狀，因此可以稱第一主成分為“產(chǎn)量因子”。第二主成分的特征值為1.65，貢獻(xiàn)率為16.5%，在該主成分中有效莖數(shù)的貢獻(xiàn)最大（圖2），因此可以稱為“有效莖因子”，其特征向量間的關(guān)系表明，有效莖數(shù)多的品種，萌芽率、單莖重、株高反而會(huì)降低。根據(jù)各種質(zhì)的主成分坐標(biāo)（圖3），對(duì)這25 個(gè)甘蔗品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得出這25 個(gè)品種的綜合排名（表4）。

表3 甘蔗農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 3 Analysis of principal components of agronomic traits

圖2 農(nóng)藝性狀對(duì)Dim1和Dim2的載荷圖Fig.2 Load diagram of agronomic traits on Dim1 and Dim2

圖3 各種質(zhì)的主成分坐標(biāo)Fig.3 Principal component coordinates of each progeny

表4 25 個(gè)品種的綜合排名Table 4 Comprehensive ranking for 25 varieties

2.4 多元線性回歸

以蔗糖產(chǎn)量為因變量，其他農(nóng)藝性狀為自變量，進(jìn)行多元線性回歸，自動(dòng)剔除無顯著性的變量，篩選出影響產(chǎn)量的重要性狀，得到回歸方程：

回歸方程表明，單莖重、蔗莖產(chǎn)量、蔗糖分這3 個(gè)變量與蔗糖產(chǎn)量有顯著的線性相關(guān)效應(yīng)，可以解釋99.31%的因變量變異，其中莖徑和蔗莖產(chǎn)量與前面的相關(guān)分析相同。在自動(dòng)剔除無統(tǒng)計(jì)顯著性的變量后，與蔗糖產(chǎn)量不具有顯著相關(guān)的蔗糖分與蔗糖產(chǎn)量有顯著的線性效應(yīng)，這是逐步回歸不同相關(guān)分析的所在之處，是由性狀間復(fù)雜的相關(guān)性引起的，剔除一個(gè)性狀，就會(huì)使原來性狀的關(guān)系發(fā)生很大變化，尤其與該性狀顯著相關(guān)的性狀，也會(huì)由該性狀的選出而被剔除。蔗糖含量與蔗糖產(chǎn)量有顯著的線性效應(yīng)，這與我們實(shí)際情況相符合，相關(guān)系數(shù)R=0.996 5，決定系數(shù)R2=0.993 05。

2.5 甘蔗主要農(nóng)藝性狀的通徑分析

通過對(duì)蔗糖產(chǎn)量有顯著影響的3個(gè)性狀進(jìn)行通徑分析（表5），可以解釋農(nóng)藝性狀對(duì)糖產(chǎn)量的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)。研究表明，蔗莖產(chǎn)量對(duì)蔗糖產(chǎn)量的直接效應(yīng)最大，其數(shù)值為0.927，其次是蔗糖分，所以蔗糖產(chǎn)量是由蔗莖產(chǎn)量和蔗糖分決定。單莖重的直接正效應(yīng)不是很大，但因它通過蔗莖產(chǎn)量影響蔗糖產(chǎn)量的效應(yīng)比較大，因此單莖重的最終效應(yīng)就比較明顯，而蔗糖分與單莖重和蔗莖產(chǎn)量都有較小的負(fù)效應(yīng)關(guān)系，因此最終效應(yīng)就比單莖重要小。通過正負(fù)抵消，可得到3個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)糖產(chǎn)量的綜合效應(yīng)，即蔗莖產(chǎn)量＞單莖重＞蔗糖分，構(gòu)成因素間相互促進(jìn)與制約關(guān)系。從剩余作用看，剩余通徑系數(shù)=0.083 37，這個(gè)值是由通過逐步回歸分析剔除的一些性狀或?qū)嶒?yàn)誤差引起的，與通徑分析的主要因素相比作用不大。

表5 主要農(nóng)藝性狀與糖產(chǎn)量的通徑分析Table 5 Path analysis between agronomic traits and sugaryield

3 結(jié)論

（1）25份甘蔗種質(zhì)農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)超過20%的有分蘗率、宿根發(fā)株率，說明這25份甘蔗種質(zhì)在這兩個(gè)性狀上變異豐富，這兩個(gè)性狀除了受到遺傳因素影響外，易受生長環(huán)境條件的影響。相關(guān)性分析結(jié)果表明，莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量與蔗糖產(chǎn)量呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)，在高糖品種選育時(shí)，可以優(yōu)先考慮這3個(gè)性狀。

（2）通過對(duì)25份甘蔗種質(zhì)的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，可將參試品種分劃分成產(chǎn)量因子、有效莖因子、糖分因子、出苗因子，這4 個(gè)因子對(duì)產(chǎn)量的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到79.1%。通過這4 個(gè)主因子的綜合評(píng)價(jià)得出GUC23-1、GUC15-2、GUC23、GUC34、GUC25這5個(gè)品種在當(dāng)?shù)乇憩F(xiàn)良好，可作為本地的推廣品種。

（3）多元回歸和通徑分析表明，對(duì)蔗糖產(chǎn)量直接效應(yīng)最大的是蔗莖產(chǎn)量，其數(shù)值為0.927，其次是蔗糖分。除此之外性狀間還存在著復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，各因素處在一個(gè)相互促進(jìn)與制約并存的統(tǒng)一體內(nèi)，直接或間接地對(duì)蔗糖產(chǎn)量產(chǎn)生影響。單莖重的直接正效應(yīng)為0.039，遠(yuǎn)不及蔗莖產(chǎn)量，但因它通過影響蔗莖產(chǎn)量進(jìn)而影響蔗糖產(chǎn)量，所以在蔗糖產(chǎn)量構(gòu)成因素中，一種因素可以促進(jìn)另一因素的提高，從而提高糖產(chǎn)量。因此在選擇性狀的時(shí)候，適宜選擇單莖重、蔗莖產(chǎn)量、蔗糖分較高的類型。

4 討論

雜交育種的關(guān)鍵在于親本的選擇，親本選擇方案影響著育種成功與否。主成分分析、多元回歸分析和通徑分析可以較好地對(duì)甘蔗品種進(jìn)行科學(xué)分析和評(píng)價(jià)，對(duì)良種的選育提供有效的參考。甘蔗育種具有時(shí)效性，是一個(gè)不斷創(chuàng)新的過程，因此這就要求各個(gè)育種機(jī)構(gòu)注重對(duì)種質(zhì)資源的收集，種質(zhì)資源的多寡，是一個(gè)育種機(jī)構(gòu)競爭力的根本。