赵勇,赵培方,胡鑫,赵俊,昝逢刚,姚丽,赵丽萍,杨昆,覃伟,夏红明,刘家勇
基于农艺性状分级对317份甘蔗种质资源的评价
赵勇,赵培方,胡鑫,赵俊,昝逢刚,姚丽,赵丽萍,杨昆,覃伟,夏红明,刘家勇
(云南省农业科学院甘蔗研究所/云南省甘蔗遗传改良重点实验室,云南开远 661699)
【目的】采用重要农艺性状快速分级的方法对甘蔗种质资源进行评价,为种质资源的进一步精准评价和杂交利用提供参考。【方法】基于大田试验,在成熟期选择株高、茎径、有效茎、叶部病害程度(花叶病、锈病、褐条病等叶部病害田间自然发病的综合反映)和总体生势等5个重要农艺性状,对317份国内外甘蔗种质资源(2重复)进行分级评价。每个性状分为5级,其中株高以1级为最高,依次递减,5级最矮;同理,茎径以1级最粗,5级最细;有效茎以1级最多,5级最少;总体生势以1级最好,5级最差;叶部病害以1级为无或轻,5级最严重。各性状分级由分级小组成员共同完成。基于农艺性状分级数据,采用方差、广义遗传力、主成分、聚类和判别分析等统计方法,对317份种质资源进行综合评价分析,筛选农艺性状表现优良的种质资源。并在此基础上,采用一次旋光法,对筛选出的优良种质资源甘蔗糖分进行评价。【结果】方差和广义遗传力分析结果表明,317份甘蔗种质各个农艺性状指标分级数据间均存在极显著差异(<0.01),广义遗传力在0.61—0.72,其中广义遗传力最高为茎径(0.72),最低为株高(0.61)。主成分分析结果表明,5个农艺性状可简化为1个主成分因子,即5个农艺性状的综合叠加,且此主成分所提供的信息占全部信息量的63.57%,特征根显著高于其他主成分的特征根之和。基于主成分结果,对317份种质进行聚类分析,将其划分为5类,第Ⅰ类包含20份种质,第Ⅱ类包含97份,第Ⅲ类包含82份,第Ⅳ类包含80份,第Ⅴ类包含38份;农艺性状表现以第Ⅰ类和第Ⅱ类的117份种质资源最优(占全部种质数的36.91%)。聚类结果的逐步判别分析显示,平均判对概率为95.85%。聚类结果充分体现了种质资源在田间试验中的实际表现。基于农艺性状聚类分析结果,对第Ⅰ类和第Ⅱ类共计117份种质的甘蔗糖分进行评价。结果显示,117份种质11月至翌年3月平均蔗糖分在5.0%—17.10%,最高为云蔗09-1601(17.1%),最低为CP79-318(5.0%)。平均蔗糖分15.0%以上的种质有43份,其中有11份超过16.0%。【结论】株高、茎径、有效茎、叶部病害程度和总体生势等是反映甘蔗种质资源田间表现的重要农艺性状指标。基于重要农艺性状快速分级的方法可以作为大量甘蔗种质资源评价的另一途径。
甘蔗;种质资源;分级数据;广义遗传力;主成分分析;聚类分析
【研究意义】杂交组合的科学选配是甘蔗杂交育种获得成功的基础[1]。而甘蔗杂交组合的组配则离不开种质的鉴定与评价,因此,开展甘蔗种质资源的收集、鉴定与评价是提高种质利用率和甘蔗杂交育种效率的重要保障。甘蔗种质资源是甘蔗育种的物质基础,根据其来源及栽培价值可分为近缘种、野生种、栽培原种和杂交种,其中,甘蔗杂交种质资源主要包含甘蔗品种和育种中间材料[2]。农艺性状大部分是甘蔗杂交育种的重要目标性状,也是种质资源评价和杂交利用的基础。目前,中国已收集的甘蔗种质资源数量众多,已有的基于农艺性状指标进行量化的评价,一是工作量大;二是种质评价的针对性不强。采用分级方法对种质资源的农艺性状进行快速评价,有利于提高种质资源评价的效率,对进一步精准鉴定和有针对性的杂交利用具有重要意义。【前人研究进展】种质是优良新品种选育的基础,对甘蔗种质资源进行评价,则是有针对性地创制杂交分离群体并提高分离群体中具有目标性状个体概率的基础,进而影响优良品种的选育效率。目前,对甘蔗种质资源的评价主要集中在2个方面,一是表型评价,通过对种质资源表型性状的实际测量,实现对种质资源的评价和分类。刘新龙等[3-4]通过对多个质量性状和数量性状评价了国内外多个地区的甘蔗种质资源,结果表明,数量性状的遗传变异主要来自叶片宽度和株高,不同来源地品种群体的数量遗传变异有较大差异,来自美国、中国台湾和澳大利亚的甘蔗种质创新比较活跃,而云南甘蔗品种和中国历年主栽品种有3个明显的基因库。吴建涛等[5]对粤糖系列甘蔗亲本和10份中国主栽品种表型性状遗传多样性进行分析,发现粤糖系列甘蔗亲本遗传多样性水平较高,中国甘蔗主栽甘蔗品种单独为一类型。赵俊等[6]对113份引进甘蔗种质的工艺与农艺性状进行相关性及聚类分析,发现各性状间存在多重共线性,各种质被划分了7个类群,以供甘蔗杂交利用。昝逢刚等[7]以104份国外引进甘蔗种质表型性状遗传多样性进行研究,发现甘蔗有效茎遗传变异较大,并根据22个质量性状和7个数量性状把104份种质划分为了3大类群。徐超华等[8]以162份斑茅种质资源为研究材料,对其表型性状及遗传多样性进行研究发现,数量性状的遗传变异较丰富,以云南地区变异最大,广西地区最小,且斑茅种质资源的遗传变异主要来自于采集地内部,群体间存在较大基因交流,遗传结构分化不明显。杨翠凤[9]和肖祎等[10]通过对不同类型甘蔗品种的多个数量和质量性状的表型多样性进行分析发现,各种质资源遗传多样性丰富,各种质资源可以划分5个类群,以供甘蔗杂交育种提供种质资源。二是基于不断完善的分子标记技术,采用RAPD[11]、SSR[12-14]、AFLP[15-16]、TRAP[17]、SRAP[18-19]和STMS[20-21]等技术对甘蔗种质资源的分子遗传基础进行研究和解析,为种质资源的利用提供科学依据。在性状分级方面,蒲光兰等[22]研究了四川核桃种质资源坚果的数量性状变异及概率分级,发现四川核桃遗传多样性极其丰富,通过对数量性状分级数据进行频率分析,发现1—5级出现的频率符合正态分布。蔡志翔等[23]对不同果枝长度、不同树龄和不同年份托叶长度进行了稳定性分析,完善了桃种质资源托叶长度评价方法,同时提出了桃托叶长度分级指标。范净等[24]通过研究砂梨种质资源果实发育期的遗传多样性,同时探讨了对果实发育期的分级,发现不同种质类型种质资源变异系数不一致,以国外引进品种最高,依次为国内选育品种和地方品种。Zhao等[25]将总体生势表现分为9级,应用于甘蔗新品种的选育,发现在育种第一阶段甘蔗总体生势遗传变异较大于甘蔗锤度,应当利用总体生势和锤度来对亲本进行选择,以优化杂交组合。上述研究结果对甘蔗种质资源的利用提供了科学参考。【本研究切入点】尽管前人已有一系列基于对农艺性状具体数据的测量和收集对种质资源进行分析评价的报道,但随着甘蔗种质资源数量的增加,数据收集的工作量也随之增加。如何在不失性状关键信息的情况下提高种质资源的评价效率和针对性?【拟解决的关键问题】本研究通过对317份国内外甘蔗种质资源进行分级,基于分级数据评价种质资源并筛选优异种质,提高种质评价效率,为种质资源的进一步精准评价和杂交利用提供参考。
参试的甘蔗种质资源共317份,其中,国外引进种质190份,国内自育种质125份和其他种质2份(EK28和Kassoer)。国外种质包括:澳大利亚(Q-和KQ-种质44份,EROS种质1份)、美国(CP-和HOCP-种质62份)、法国(FR-种质24份)、菲律宾(VMC-和Phil-种质30份)、巴西(SP-和RB-种质19份)、印度(Co-种质5份)、印度尼西亚(POJ-种质3份)、古巴(C266-70种质1份)和留尼旺岛(R507种质1份)。国内种质包括:中国大陆种质102份,中国台湾F-、PT-和ROC-种质23份。
试验地点位于云南省红河州开远市(23.7°N,103.25°E),海拔1 051.8 m,属亚热带高原季风气候,光照资源充足,年日照时数2 382 h,年平均气温20℃,年平均降雨量771.1 mm,年潜在蒸发量1 987 mm,无霜期341 d左右。以上气象数据来源于中国气象科学共享服务平台。
试验设计:于2016年12月29日在云南省农业科学院甘蔗研究所第一科研基地对317种质资源安排田间试验(新植)。试验采用随机区组、2重复试验设计,行长4 m,行距1.1 m,种植2行/种质/重复,每行种植52芽,四周设保护行。试验地具备灌溉条件。
性状分级:于2017年10月25日至27日,由甘蔗育种人员3—4人组成分级小组(分级过程中,分级小组成员固定不变,直至分级工作完成),选择株高、茎径、有效茎、叶部病害程度(花叶病、锈病、褐条病等叶部病害田间自然发病的综合反映)和总体生势等5个重要农艺性状指标,分别对317份甘蔗种质资源进行分级。每个性状指标分5级,其中株高以1级为最高,依次次之,5级最矮;茎径以1级最粗,依次次之,5级最细;有效茎以1级最多,依次次之,5级最少;总体生势以1级最好,依次次之,5级最差;叶部病害以1级为无或轻,依次增加,5级最严重。通过分级评价,筛选优良种质,提供进一步精准评价和杂交利用。分级过程中,分级小组参考每个性状的数值范围(表1),对小区种质群体进行整体评估,以观察到的性状表现为分级依据(不对每个性状进行具体测量)。叶部病害程度的分级依据甘蔗植株上所有绿叶的病害表现来确定。
甘蔗糖分检测:甘蔗糖分是甘蔗育种重要目标性状。2017年11月至翌年3月(每月1次,共计5次),基于农艺性状分级的评价结果,对农艺性状表现优良的种质采用一次旋转光法,开展甘蔗糖分检测,每份种质每次随机取6条蔗茎构成检测样品(每重复3条蔗茎)。按照Liu等[26]方法进行检测。
表1 重要农艺性状分级参考
利用Eexcle2013对数据进行整理,采用DPS v14.10版对各性状分级数据进行方差、相关、主成分、聚类和判别分析。利用R软件计算各性状的广义遗传力(2)。
方差分析(表2)结果表明,种质间总体生势、有效茎、茎径、叶部病害程度和株高等重要农艺性状分级数据间均存在极显著差异(<0.01),变异系数在23.23%—31.01%,遗传变异丰富。各性状的广义遗传力在0.61—0.72,具有较高的广义遗传力,最高为茎径(0.72),最低为株高(0.61)。
总体生势是其他农艺性状的综合表现。总体生势与其他性状的相关系数为0.46—0.78,均达到差异极显著水平(表3)。
对5个农艺性状分级数据进行主成分分析(表4)。第一主成分方差贡献率达到63.57%,特征根为3.18。第二到第五主成分的方差贡献率分别为13.56%、12.12%、7.41%和2.34%,对应的特征根分别为0.68、0.66、0.37和0.12。
综合特征向量与主成分贡献率(表5),第一主成分贡献率达到63.57%,显著高于其他因子贡献率,特征根为3.18,同样显著高于其他因子。因此,第一主成分是反映种质评价的综合指标,可以保留原始数据中的大部分信息,故选择第一主成分得分值作为综合评价指标。确定主成分后,计算317份种质资源的主成分综合得分(图1)。综合得分越大,表明该种质的分级数值越大,种质综合性状越差。
表2 农艺性状方差和遗传变异分析
**表示差异达极显著(<0.01)。下同
** Stand for the difference was significant (<0.01). the same as below
表3 总体生势与其他农艺性状的表型相关系数
对种质资源的主成分综合得分进行标准化转换,以欧式距离和可变类平均法对种质进行系统聚类分析,可将317份种质资源分为5个类群(表5)。第Ⅰ类群共20份,主成分综合得分及各性状原始分数平均值较小(表现优);第Ⅱ类群97份,主成分综合得分及各性状原始分数平均值略高于第Ⅰ类群(表现良);第Ⅲ类群82份、第Ⅳ类群80份、第Ⅴ类群38份,主成分综合得分及各性状原始分数平均值逐渐增加,第Ⅴ类群综合得分最大(表现最差)。
表4 主成分分析各性状的特征向量与特征根
为了鉴别聚类结果是否可靠,采用多类逐步判别法对其进行判别(表6)。结果表明,第Ⅰ类群判对概率为90.00%,第Ⅱ类群判对概率为94.85%,第Ⅲ类判对概率为100%,第Ⅳ类判对概率为93.73%,第Ⅴ类判对概率为94.76%。根据判别分析原理可知,判别概率越高,证明种质被正确分类的机率越大。从表6可以看出,每个种质被正确分类的概率较高,平均判对概率为95.85%。
聚类分析结果将317份种质资源分为5个类群,第Ⅰ类群种质的主成分综合得分最低(表5),依次递增,第Ⅴ类群综合得分最高。分级数据越高、主成分综合得分也越高,种质表现越差。据此,可把第Ⅰ类群种质划为1级种质(优级种质20份,占全部种质数的6.31%),表现为总体表现优良,中大茎,有效茎多,叶片清秀度好或较好,植株高大。第Ⅱ类群种质划分为2级种质(良好级种质97份,占全部种质数的30.60%),表现为总体表现良好,中至中大茎,有效茎较多,叶片清秀度较好,植株高大。根据分类结果,共计评价和筛选出优良种质117份(表7),占全部种质数的36.91%。
图1 317份种质资源主成分综合得分图
表5 种质各类群的主成分平均综合得分及各性状原始分级数据平均值
表6 类群判别分析矩阵表
表7 优良种质名称及其原始性状级别和蔗糖分表现(平均值)
*:总体生势级别≤2(即优和良级别的种质)。中国甘蔗种质资源以汉语拼音首字母缩写代表,如:YT代表粤糖系列甘蔗种质资源,YZ代表云蔗系列,HN代表华南系列,GT代表桂糖系列,LC代表柳城系列,MT代表闽糖系列,GZ代表赣蔗系列,DZ代表德蔗系列
* stand for the germplasm resources which the whole growth potential scored less 2 on the field grading. Chinese germplasm were shorted of Acronym for Pinyin, for example, Yuetang serious sugarcane germplasm shorted of YT, and others, such as Yunzhe(YZ), Huanan(HN), Guitang(GT), Liucheng(LC), Mintang(MT), Ganzhe(GZ), Dezhe(DZ)
根据农艺性状评价结果,对117份农艺性状表现优良的种质资源进行甘蔗糖分检测,117份种质11月—翌年3月平均蔗糖分为5.0%—17.1%,最高为云蔗09-1601(17.1%),最低为CP79-318(5.0%)。平均蔗糖分15.0%以上的种质有43份,其中超过16.0%的有11份(表7)。
农艺性状是甘蔗杂交育种中选配亲本的重要依据。选择综合性状优良的亲本配制杂交组合是甘蔗杂交育种选配组合的原则之一[27]。基于主成分的聚类结果表明,农艺性状表现优良的种质117份,占全部种质数的36.91%(其中表现优的种质仅占6.31%),表现中等的种质82份,占全部种质的25.87%,而表现差和极差的种质数118份,占全部种质数的37.22%,表现中等及以下的种质合计有200份,占全部种质数的63.10%。说明在数量众多的甘蔗种质资源中,重要农艺性状表现优良的种质数量并不多。如果对数量众多的种质资源进行全面和具体的数据调查和收集,工作量将会随着种质数量的增加而大幅度增加,影响种质评价的效率和针对性。从田间实际操作和所得数据的分析结果来看,基于重要农艺性状分级评价甘蔗种质资源,不仅省时、快速、有效,且不失种质性状的关键信息。通过对重要农艺性状分级数据方差和广义遗传力分析表明,各个农艺性状指标分级数据间均存在极显著差异(<0.01),且存在广泛的遗传变异,各性状的变异系数为23.23%—31.01%,广义遗传力为0.61—0.72(表2)。这与前人通过对收集性状的具体数据分析结果基本一致。唐仕云等[28]以29个甘蔗品种为研究材料进行研究发现,株高、茎径、有效茎等性状差异显著,广义遗传力分别为0.55、0.73和0.82。何启钧等[29]以12个甘蔗品种(系)为材料,估计了株高、茎径、有效茎等性状的广义遗传力,分别为0.78、0.86和0.76。罗赣丰等[30]以96份江西省甘蔗种质资源为材料,研究了主要工农艺性状的变异情况,发现株高、茎径、有效茎等产量构成因子的表型变异系数为11.01%—17.75%。杨荣仲等[31]以146个甘蔗家系为研究材料,估算了甘蔗叶片病害病情指数的广义遗传力为0.44。本试验中,叶部病害程度表现出较高的广义遗传力(0.69),这可能与该性状是多种叶部病害的综合反映(分级过程中,不针对某一具体病害,而是综合了所有叶部病害表现)和试验条件不同有关。
此外,基于重要农艺性状分级,不仅评价和筛选出117份农艺性状表现优良的种质资源,而且在此基础上完成了117份种质蔗糖分的检测和评价,筛选出11月—翌年3月平均蔗糖分15.0%以上的种质43份(其中超过16.0%的11份)(表7),显著提高了种质资源评价效率和进一步评价的针对性。
在本试验的特定环境条件下(由于甘蔗农艺性状多为数量性状,易受环境影响。因此本试验所筛选出的优良种质可能会与其他环境条件下得到的结果有部分差异),基于5个重要农艺性状的分级数据进行主成分和聚类分析。结果表明,种质的分类结果客观反映了种质农艺性状的综合表现,主成分平均综合得分及各性状原始分级数据平均值各类群逐级增加,即第Ⅰ类群最小(表现优),第Ⅴ类群最大(表现差)(表6)。在重要农艺性状的分级过程中,不仅考虑了具体性状的分级,同时也对种质的综合表现(总体生势)进行分级。从相关分析结果看,总体生势的分级有效地体现了多个性状的综合,其他农艺性状与总体生势的相关系数均达到了极显著水平(表3)。主成分和聚类分析结果显示,分类结果不仅较好地体现了总体生势分级的作用,同时将其他农艺性状信息有机整合,互为补充,使种质的评价和筛选更加客观,一定程度上减少了分级过程中的人为偏差。从表8中可以看出20份1级(优级)种质的原始分级数据,总体生势均在1—2级(优和良级)且其他大部份性状均为优良级,97份2级(良好级)种质中,有89份总体生势分级为1.5—2.5,而如FR97-53、SP70-1143、CP51-22等8份种质虽然总体生势分级为3.0—3.5,但除总体生势外,某几个指标评级较优,聚类分析结果划分在2级种质中。此外,根据田间实际分级结果,总体生势评级为≤2级的种质材料总共有71份(表7中标注*),全部包含在聚类分析得出的Ⅰ类和Ⅱ类种质中。余下的46份种质总体生势分级虽然大于2级,但由于部份性状表现优良而未被淘汰。
在筛选出的117分优良种质中(表7),F134、CT57-416(川蔗2号)、Co419、Co1001、GT11(桂糖73-167)、YZ65-225等一批种质曾是中国大陆的重要甘蔗杂交亲本,育成许多优良品种[32],为中国蔗糖产业的发展作出了重要贡献;ROC23[33]、YT93-159[34]、YT00-236[35]、GT96-211[36]等种质经多年杂交利用,培育出一批优良品种并在生产上发挥效益;CP89- 2143[37]、CP94-1100[38]、云蔗89-351[39]等种质在杂交育种中展现出较好的育种潜力;LC03-1137、LC05- 136、FN39等一批新近育成的优良种质,应进一步加强利用,以评价其育种潜力。根据近年来中国甘蔗杂交亲本的利用情况,引自澳大利亚(Q型、KQ型)、法国(FR型)、巴西(RB和SP型)和菲律宾(VMC和Phil型)等国家的种质,利用频率较低,建议加强这几个类型中优良种质的利用力度,以拓宽我国甘蔗杂交育种遗传基础。此外,根据蔗糖检测评价结果,平均甘蔗糖分超过16%的种质有11份(表7),建议作为高糖亲本加强利用。
本试验分级数据虽然仅为新植试验数据,但本文所讨论的重点不仅仅是从大量的甘蔗种质资源中评价和筛选优良种质提供进一步评价和杂交利用,同时农艺性状分级方法评价种质资源的可行性也是本文所讨论的重点,这将为农艺性状分级方法在甘蔗种质资源评价中的进一步应用提供参考。
株高、茎径、有效茎、叶部病害程度和总体生势等是反映甘蔗种质资源田间表现的重要农艺性状指标。基于重要农艺性状快速分级的方法可以作为大量甘蔗种质资源评价的另一途径。
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(责任编辑 李莉)
evaluation of 317 sugarcane germplasm based on agronomic traits rating data
ZHAO Yong, ZHAO PeiFang, HU Xin, ZHAO Jun, ZAN FengGang, YAO Li, ZHAO LiPing, YANG Kun, QIN Wei, XIA HongMing, LIU JiaYong
(Sugarcane Research Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences/Yunnan Key Laboratory of Sugarcane Genetic Improvement, Kaiyuan 661699, Yunnan)
【Objective】Evaluation of sugarcane germplasm via rapid rating their important agronomic traits could provide reference for their further evaluation hybridization.【Method】Based on the field experiment, 317 sugarcane germplasm resources (2 replicates) were rated and evaluated by selecting five important agronomic traits at maturity stage, which were plant height, stalk diameter, millable stalks, leaf disease degree (comprehensive reflection of natural leaf diseases such as mosaic, rust, brown stripe disease) and general vigor. Each trait was divided into five grades, in which plant height was highest in grade 1, and the shortest in grade 5; similarly, stalk diameter was thickest in grade 1 and finest in grade 5; millable stalk was the most in grade 1 and the least in grade 5; general vigor was the best in grade 1 and the worst in grade 5; leaf diseases were the best in grade 1 and the worst in grade 5. The rating of each trait was accomplished by the members of the rating group. Based on the rating data of agronomic traits, 317 germplasm resources were comprehensively evaluated by statistical methods such as variance, broad-sense heritability, principal component analysis, clustering and discriminant analysis, and the germplasm resources with excellent agronomic traits were screened. Further, the sucrose content of the selected excellent germplasm was evaluated by primary rotation.【Result】The results of variance and broad-sense heritability analysis showed significant differences among 317 sugarcane germplasm in the classification data of agronomic traits (<0.01) and the broad-sense heritability ranged from 0.61 to 0.72. The stalk diameter performed the highest broad-sense heritability (0.72) and the plant height performed the lowest (0.61). The results of principal component analysis showed that the five agronomic traits could be simplified to one principal component factor, i.e. the comprehensive superposition of five agronomic traits. The information provided by the principal component accounted for 63.57% of the total information, and the characteristic roots were significantly higher than the sum of the characteristic roots of other principal components. Based on the results of principal component analysis, 317 germplasms were classified into five categories, including 20 in the first category, 97 in the second category, 82 in the third category, 80 in the fourth category and 38 in the fifth category. 117 germplasm in the first and the second categories were the best in agronomic traits (36.91% of the total germplasms). The stepwise discriminant analysis of clustering results showed that the average probability of pairing is 95.85%. The clustering results fully reflected the actual performance of germplasm in field experiments. Based on cluster analysis of agronomic traits, the sucrose content of 117 germplasm in Class I and Class II was evaluated. The results showed that the average sucrose content of 117 germplasms ranged from 5.0% to 17.10% from November to next March, the highest was YZ09-1601 (17.1%) and the lowest was CP79-318 (5.0%). There were 43 germplasm with an average sugar content of more than 15.0%, of which 11 were more than 16.0%.【Conclusion】Plant height, stalk diameter, millable stalks, leaf disease and general vigor are important agronomic traits reflecting the field performance of sugarcane germplasm resources. The rapid classification method based on important agronomic traits is a promising alternative for evaluating large number of sugarcane germplasm resources.
sugarcane; germplasm; rating data; broad sense heritability; principal component analysis; cluster analysis
10.3864/j.issn.0578-1752.2019.04.003
2018-09-04;
2018-12-15
国家自然科学基金(31660418)
赵勇,E-mail:18087395132@163.com。 通信作者刘家勇,E-mail:lljjyy1976@163.com