引進甘蔗種質資源雜交后代適應性評價

蔣洪濤，崔新迪，趙麗九，許譽芝，陳保善，張木清

（1.廣西大學廣西蔗糖產業協同創新中心，南寧 530004；2.福建農林大學國家甘蔗工程技術研究中心，福州 351102；3.廣西大學生命科學與技術學院，南寧 530004）

0 引言

甘蔗是我國主要的糖料作物和經濟作物，主要分布于廣西、云南、廣東、福建等省份，是保證我國糖業持續健康發展的物質基礎。近幾年隨著人們生活水平的提高，對糖料的需求也不斷增加，選育高產甘蔗品種，是目前急需解決的關鍵問題[1-2]。復雜的多倍體結構、遺傳基礎狹窄等因素，給甘蔗的遺傳育種帶來了巨大困難[3-4]。甘蔗種質資源是甘蔗高效育種的物質基礎，引進優異種質資源，對豐富我國甘蔗種質資源和甘蔗品種改良具有重要意義，而育種材料的科學選配是甘蔗雜交育種的關鍵所在[5-7]。因此對引進的甘蔗品種（系）進行種質資源評價有助于科學地篩選優良的育種材料，促進甘蔗雜交育種取得新的突破，進而保障甘蔗產業高效健康發展。目前，對甘蔗種質資源的評價主要分布在兩個方向，一是對甘蔗種質的農藝性狀評價，通過對種質資源農藝性狀的實際測量，實現對種質資源的評價和分類。趙勇等[8]采用重要農藝性狀快速分級的方法對甘蔗種質資源進行評價，為種質資源的精準評價和雜交利用提供參考。趙俊等[9]對113份從國外引進的甘蔗種質的農藝性狀進行研究，將這些種質根據農藝性狀劃分為7類，為雜交組合選配及甘蔗品種改良提供指導。高三基等[10]對14個甘蔗品種經濟性狀進行因子分析及聚類分析，為甘蔗雜交育種和種質資源的篩選提供參考。二是從分子角度利用現在不斷發展的分子標記技術SSR[11]、AFLP[12-14]等對甘蔗種質資源在分子遺傳上進行探究。蘇火生等[15]利用SSR 分子標記技術對40份國外甘蔗品種進行品種鑒定，對國外品種的收集保存和快速準確鑒定提供技術基礎與理論依據。因此，本研究對引進的24份甘蔗種質進行農藝性狀分析，利用目前應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]，對引種材料的適宜性、農藝性狀進行分析評價，篩選出影響甘蔗產量的主要農藝性狀，為甘蔗種質資源的精準評價和雜交育種材料的科學選配提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試甘蔗材料是廣西大學張木清教授于2012 年在美國農業部運河點育種站按照常規雜交育種技術選擇5 個甘蔗組合：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 個甘蔗花穗，帶回國后經過雜種圃和選種圃后選擇出24 個糖分、產量和抗逆性較好的甘蔗材料（如表1），在對24 個甘蔗材料進行品比的同時進行抗旱性評價試驗，試驗對照品種為廣西本地主栽品種ROC22（新臺糖22號）。

表1 試驗材料的來源Table 1 Origin of materials

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗地點和田間種植

試驗地點位于廣西壯族自治區南寧市武鳴區（北緯22°59′58″～23°33′16″、東經107°49′26″～108°37′22″），屬亞熱帶季風性氣候，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（南寧市武鳴區鑼圩鎮華僑農場）進行。試驗采用完全隨機區組設計，每個試驗材料種植666.7 m2（1 畝），行距1.2 m，設置3 次重復，共2 000 m2（3 畝）。于2014 年3 月、2015 年3 月進行兩年新植，種植密度為每公頃45 000 個雙芽段，雙行品字形擺種，四周設置保護行。田間管理同常規管理。新植蔗于一年砍收后，及時進行宿根管理，開始留宿根繼續觀察。試驗年限為4 年，共計兩年新植和兩年宿根。

1.2.2 性狀調查與數據分析

參照《甘蔗種質資源描述規范和數據標準》[20]，在甘蔗苗期分別對出苗率、分蘗率、宿根發株數進行調查，在甘蔗成熟期分別對新宿甘蔗進行株高、莖徑、有效莖、單莖重、蔗糖分等農藝性狀調查和品質性狀檢測，并計算蔗莖產量（0.785×株高×莖徑2×有效莖×10-6）和蔗糖產量。

利用Excel與R語言，對10個考查性狀進行相關性、主成分、多元回歸、通徑分析。

2 結果與分析

2.1 10個農藝性狀的遺傳變異分析

結果如表2，在這10 個農藝性狀中，各個性狀均呈現出不同的遺傳變異。變異系數在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%，參試種質間分蘗性遺傳變異較大，其中不乏強分蘗性的種質。宿根發株率均值為177.1%，宿根性最好的種質為GUC21，宿根率高達274.1%，宿根性的遺傳變異在不同種質之間變化較大，參試種質間含有宿根性強的種質。同時，也可以看出，在考察有效莖數、莖徑、單莖重、蔗莖產量、蔗糖分、蔗糖產量這6個產量性狀也表現出不用的遺傳分化。其中蔗糖產量的變異系數最大，達到17.97%，其次為蔗莖產量、單莖重、莖徑、蔗糖分、株高，最小是有效莖數，僅為6.79%。綜合種質的各個性狀，發現這25個甘蔗種質在分蘗和蔗糖產量上有較大的遺傳改良潛力。

表2 甘蔗種質資源主要農藝性狀變異情況Table 2 Variation of main agronomic traits

2.2 主要農藝性狀的相關性

對25 個甘蔗品種的主要農藝性狀進行相關性分析，結果（圖1）表明莖徑與單莖重、蔗莖產量、蔗糖產量呈極顯著正相關；單莖重與蔗莖產量、蔗糖產量呈現極顯著相關；蔗莖產量與蔗糖產量呈現極顯著相關；萌芽率與宿根發株率呈現顯著正相關；宿根發株率與蔗莖產量呈現顯著負相關。從參試甘蔗主要農藝性狀間的簡單相關性分析可以看出莖徑、單莖重、蔗莖產量對蔗糖產量有重要的影響，因此在蔗糖高產品種的篩選評價中，首先應著重考慮莖徑、單莖重、蔗莖產量這3個性狀。

圖1 主要農藝性狀的相關性分析Fig.1 Correlation analysis of main agronomic traits

2.3 甘蔗主要農藝性狀的主成分分析

由于這10個農藝性狀之間具有多重相關性，為了避免分析結果存在誤差，故采用降維處理，對著10個農藝性狀進行主成分分析。根據以特征值大于1 作為主成分納入標準，得到4 個主成分（表3）。結果表明，第一主成分、第二主成分、第三主成分和第四主成分的貢獻率分別是35.2%、16.5%、15.3%、12.1%，累計貢獻率達到79.1%，表明這4 個主成分已經覆蓋了所有性狀的主要信息，因此提取了這4 個主成分作為試驗種質性狀選擇的主要指標。在第一主成分中蔗莖產量的特征向量最大，其次是蔗糖產量；在第二主成分中有效莖數的特征向量最大，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，其次為宿根發株率。第一主成分的特征值為3.52，貢獻率為35.2%，其中蔗莖產量的載荷量最大，其次為蔗糖產量和莖徑（圖2），表明這3個性狀具有相互促進的作用，這3個因素同屬產量性狀，因此可以稱第一主成分為“產量因子”。第二主成分的特征值為1.65，貢獻率為16.5%，在該主成分中有效莖數的貢獻最大（圖2），因此可以稱為“有效莖因子”，其特征向量間的關系表明，有效莖數多的品種，萌芽率、單莖重、株高反而會降低。根據各種質的主成分坐標（圖3），對這25 個甘蔗品種進行綜合評價，得出這25 個品種的綜合排名（表4）。

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

圖2 農藝性狀對Dim1和Dim2的載荷圖Fig.2 Load diagram of agronomic traits on Dim1 and Dim2

圖3 各種質的主成分坐標Fig.3 Principal component coordinates of each progeny

表4 25 個品種的綜合排名Table 4 Comprehensive ranking for 25 varieties

2.4 多元線性回歸

以蔗糖產量為因變量，其他農藝性狀為自變量，進行多元線性回歸，自動剔除無顯著性的變量，篩選出影響產量的重要性狀，得到回歸方程：

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

2.5 甘蔗主要農藝性狀的通徑分析

通過對蔗糖產量有顯著影響的3個性狀進行通徑分析（表5），可以解釋農藝性狀對糖產量的直接通徑系數、間接通徑系數。研究表明，蔗莖產量對蔗糖產量的直接效應最大，其數值為0.927，其次是蔗糖分，所以蔗糖產量是由蔗莖產量和蔗糖分決定。單莖重的直接正效應不是很大，但因它通過蔗莖產量影響蔗糖產量的效應比較大，因此單莖重的最終效應就比較明顯，而蔗糖分與單莖重和蔗莖產量都有較小的負效應關系，因此最終效應就比單莖重要小。通過正負抵消，可得到3個農藝性狀對糖產量的綜合效應，即蔗莖產量＞單莖重＞蔗糖分，構成因素間相互促進與制約關系。從剩余作用看，剩余通徑系數=0.083 37，這個值是由通過逐步回歸分析剔除的一些性狀或實驗誤差引起的，與通徑分析的主要因素相比作用不大。

表5 主要農藝性狀與糖產量的通徑分析Table 5 Path analysis between agronomic traits and sugaryield

3 結論

（1）25份甘蔗種質農藝性狀的變異系數超過20%的有分蘗率、宿根發株率，說明這25份甘蔗種質在這兩個性狀上變異豐富，這兩個性狀除了受到遺傳因素影響外，易受生長環境條件的影響。相關性分析結果表明，莖徑、單莖重、蔗莖產量與蔗糖產量呈現極顯著的正相關，在高糖品種選育時，可以優先考慮這3個性狀。

（2）通過對25份甘蔗種質的主要農藝性狀進行主成分分析，可將參試品種分劃分成產量因子、有效莖因子、糖分因子、出苗因子，這4 個因子對產量的累計貢獻率達到79.1%。通過這4 個主因子的綜合評價得出GUC23-1、GUC15-2、GUC23、GUC34、GUC25這5個品種在當地表現良好，可作為本地的推廣品種。

（3）多元回歸和通徑分析表明，對蔗糖產量直接效應最大的是蔗莖產量，其數值為0.927，其次是蔗糖分。除此之外性狀間還存在著復雜的相關關系，各因素處在一個相互促進與制約并存的統一體內，直接或間接地對蔗糖產量產生影響。單莖重的直接正效應為0.039，遠不及蔗莖產量，但因它通過影響蔗莖產量進而影響蔗糖產量，所以在蔗糖產量構成因素中，一種因素可以促進另一因素的提高，從而提高糖產量。因此在選擇性狀的時候，適宜選擇單莖重、蔗莖產量、蔗糖分較高的類型。

4 討論

雜交育種的關鍵在于親本的選擇，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甘蔗品種進行科學分析和評價，對良種的選育提供有效的參考。甘蔗育種具有時效性，是一個不斷創新的過程，因此這就要求各個育種機構注重對種質資源的收集，種質資源的多寡，是一個育種機構競爭力的根本。