基于双标图的京津冀早熟夏玉米品种区域试验综合分析

吴珊珊，张春原，毛振武，陈传永，李 哲，李瑞媛，邢锦丰，王元东

(北京市农林科学院玉米研究中心/玉米DNA指纹及分子育种北京市重点实验室，北京 100097)

玉米是我国总产最高、种业市值最大的作物，在保障我国粮食安全中发挥着重要作用。玉米是京津冀地区第一大粮食作物，在区域农业中占主导地位。京津冀早熟夏玉米区包括河北省唐山市、秦皇岛市、廊坊市、沧州市北部、保定市北部夏播区，北京市夏播区，天津市夏播区等区域[1]，处于东华北春玉米和黄淮海夏玉米种植区之间，玉米常年种植面积63.5×104hm2左右，占京津冀三省(市)夏播面积的30%以上,气候复杂，生长期热量资源紧张[2]，玉米播种时间在6月中旬至下旬。因此，选择有代表性的试点鉴定筛选出具有丰产性、稳产性和适应性的玉米新品种是该区域玉米生产的迫切需求。

多年多点试验通过选择具有代表性的试验地点，分析和评价新品种在该地区的丰产性、稳定性和适应性，对指导作物育种和农业生产具有重要的意义[3]。目前对多年多点试验中品种的丰产性分析通常采用方差分析方法，但因品种基因型和环境的互作影响，品种的稳定性和适应性评价难度较大[4]。因此，多采用联合回归法[5-6]、主效可加互作可乘模型(AMMI)[7]和基因型主效加基因型与环境互作(GGE)双标图[8]等方法对多点试验结果进行分析。其中，GGE双标图通过对数据进行环境中心化处理，只含有与品种评价有关的基因型和基因型与环境互作效应[9]，将两项数据用图形直观清晰地标识出品种的稳定性、适应区域以及试验点对品种的鉴别能力。目前GGE双标图已经在水稻、小麦、玉米、棉花、油菜、大豆等多种作物[10-14]品种的多点试验分析中进行了应用，然而对于京津冀早熟夏玉米区玉米品种的多点试验分析目前尚未见报道。

本研究采用GGE双标图分析方法对2019年国家京津冀早熟夏玉米区的区域试验数据进行分析，对各参试品种的产量及相关穗部性状进行适应性、试点代表性和理想品种选择分析和评价，以便为京津冀早熟夏玉米区域玉米品种选择和推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 数据来源

本研究采用的数据来源于2019年国家京津冀早熟夏玉米区域试验汇总报告。参试品种(含对照)共18个(表1)，其中京单58(a 18)为对照品种。区域试验地点分别位于北京市、天津市和河北省，其中天津宝坻和天津蓟州2个试点因灾报废，共统计分析10个试验点(表2)。

表2 2019年国家京津冀早熟夏玉米组区域试验地点代码和试验地点Table 2 Code and test site of national Beijing-Tanjin-Hebei early summer maize group in 2019

1.2 田间设计与性状测量

试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积20 m2，种植密度67 500株·hm-2。每个小区实收中间3行(面积12 m2)计产，产量按照14%标准水分折算。按照《农作物品种试验技术操作规程 玉米》标准测量每个参试品种的主要穗部性状，包括穗长、穗行数和千粒重。

1.3 统计方法

利用Excel 2016软件分别对参试品种的产量、穗长、穗行数和千粒重数据进行去环境中心化处理[8]；利用Genstat 20.0软件进行GGE(基因型主效加基因型与环境互作)双标图分析。

2 结果与分析

2.1 参试品种产量和主要穗部性状比较分析

参试品种、各个试验点的平均产量和穗部性状表现见表3、表4。从表3可知，a 15产量最高，为11 490 kg·hm-2，其次是a 2、a 7、a 17等品种，对照a 18排第5位。从表4可知，E 2产量最高，为11 960 kg·hm-2；E 7最低，为8 170 kg·hm-2。从参试品种主要穗部性状的平均值分析(表3)，a 2的平均穗长最高，为19.69 cm，排在前6位的品种是a 2、a 1、a 5、a 6、a 9、a 11；a 11的平均千粒重最高，为410.9 g，所有参试品种中仅该品种的平均千粒重超过ck的平均值(400.8 g)。

表3 参试品种的产量和主要穗部性状Table 3 Yield and main panicle characteristics of tested varieties

表4 试验点产量和主要穗部性状Table 4 Yield and main panicle characteristics in test sites

2.2 参试品种的适应性分析

按照品种与环境的相关关系对各个试验点进行分组，找出各个组内表现最好的品种(图1)。将各个试验点分成不同的组，在每个扇区中位于多边形顶端的品种为在该扇区内所有试验点表现最好的品种；位于多边形内部、靠近原点的品种是接近平均产量且对环境变化不敏感的品种。

2.2.1产 量

产量的第1主成分(PC 1)解释了55.15% 的G(品种效应)+GE(品种与环境互作效应)，第2主成分(PC 2)解释了19.08%的G+GE，两者可以解释G与GE互作效应的74.23%(PC1+PC 2)。a 3在E 1和E 8表现较好，a 2和a 15在E 2、E 4、E 5、E 6、E 7和E 9表现较好，a 7在E 3和E 10表现较好。a 9品种最靠近原点，说明该品种的产量对环境变化不敏感(图1 A)。

2.2.2穗 长

穗长的第1主成分(PC 1)解释了42.31% 的G(品种效应)+GE(品种与环境互作效应)，第2主成分(PC 2)解释了27.54%的G+GE，两者可以解释G与GE互作效应的69.84%(PC 1+PC 2)。a 12在E 3、E 4和E 10表现较好；a 2在其他7个试点表现均较好；a 4品种最靠近原点，说明该品种的穗长对环境变化不敏感(图1 B)。

2.2.3穗行数

穗行数的第1主成分(PC 1)解释了66.66% 的G(品种效应)+GE(品种与环境互作效应)，第2主成分(PC 2)解释了10.22%的G+GE，两者可以解释G与GE互作效应的76.88%(PC 1+PC 2)。a 17在所有试点表现均好(图1 C)。

2.2.4千粒重

千粒重的第1主成分(PC 1)解释了70.42% 的G(品种效应)+GE(品种与环境互作效应)，第2主成分(PC 2)解释了9.25%的G+GE，两者可以解释G与GE互作效应的79.67%(PC 1+PC 2)。a 18在E 4和E 7表现较好；a 11在其他8个试点表现均较好；a 13最靠近原点(图1 D)，说明该品种的千粒重对环境变化不敏感。

2.3 各试验点的鉴别力和代表性分析

图2主要分析各个试验点在品种评价上的相似性，以评价各个试验点的鉴别力和代表性。连接原点和各个试验点形成的线段，线段间的夹角表示试点间G与GE相对大小，夹角余弦值是两个试验点之间的相关系数，夹角小于90°表示呈正相关，说明两个试验点对品种的排序是相似的；大于90°表示呈负相关，说明两个试验点对品种的排序是相反的；等于90°表示不相关。线段长度代表试验点对品种筛选的鉴别力，线段越长表示鉴别力越强，线段越短表示鉴别力越弱[15]。

2.3.1产 量

从产量各试验点鉴别力分析，E 1、E 2、E 3、E 8和E 10鉴别力较好；E 5、E 7鉴别力较弱。E 7、E 9间和E 4、E 6间均存在显著正相关，E 8和E 10间存在负相关。综合分析，E 1、E 2和E 3的鉴别力和代表性较好(图2 A)。

2.3.2穗 长

从穗长分析，E 2线段最长，说明E 2鉴别力最好，但该点与E 3、E 10呈负相关，因此E 2的代表性较差。E 6、E 7和E 10的鉴别力较好(图2 B)。

注：A表示产量；B表示穗长；C表示穗行数；D表示千粒重。下同。图1 参试品种适应性分析Fig.1 Adaptability analysis of tested varieties

2.3.3穗行数

各个试验点对品种的穗行数均具有较好的鉴别力，其中E 3的鉴别力最好，其次是E 1、E 5、E 9；E 2、E 3和E 5间呈显著正相关，E 4、E 7和E 8间呈显著正相关，E 6和E 10间呈显著正相关；E 1与其他试验点间相关性较低。综合分析，E 3和E 5鉴别力和代表性较好(图2 C)。

2.3.4千粒重

从千粒重分析，E 9的鉴别力最好，其次是E 2和E 6；E 4和E 7间呈显著正相关，但与其他试验点之间相关性较低。综合来看，E 2、E 6和E 9鉴别力和代表性较好(图2 D)。

图2 各试验点鉴别力和代表性分析Fig.2 Analysis of discrimination and representativeness of each test site

2.4 参试品种的丰产性和稳定性分析

图3主要分析参试品种的丰产性和稳定性，其中带箭头的直线为环境平均轴(Average Environment Axis,AEA)，环境平均轴箭头所指方向代表较高的基因型平均值；直线上圆圈表示平均环境值，通过各品种向环境平均轴分别做垂线，垂线越长代表品种越不稳定，垂线越短代表品种受环境相互作用影响越小，品种越稳定。

2.4.1产 量

从参试品种的产量分析，a 2、a 7、a 15的丰产性较好，其中a 2和a 15比a 7的稳定性更好。对照a 18的稳定性最好，但丰产性一般。a 1、a 4和a 8属于丰产性和稳产性均较差的品种(图3 A)。

2.4.2穗 长

从穗长分析，a 1、a 2、a 4和a 6的稳定性较好，且a 2的平均穗长最长，a 12的稳定性最差。综合分析，a 1、a 2、a 5、a 6、a 16的丰产性和稳定性均较好(图3 B)。

2.4.3穗行数

从穗行数分析，a 9、a 14、a 17、a 18与平均环境轴所做垂线较短，说明这3个品种的稳定性较好，其中a 17穗行数的丰产性最好，对照a 18穗行数的丰产性最差。a 2、a 6、a 7和a 12穗行数的稳定性较差。综合分析，a 17的丰产性和稳定性均较好(图3 C)。

2.4.4千粒重

从千粒重分析，a 11的丰产性最好，其次为a 18、a 15、a 5；a 13稳定性最好，丰产性较差。a 10、a 17的稳定性较差。综合分析，a 11的丰产性和稳定性均较好(图3 D)。

图3 参试品种丰产性和稳定性分析Fig.3 Analysis of yield and stability of tested varieties

2.5 参试品种与理想品种比较

理想品种是指在所有试验点的目标性状指标平均值最高且稳定性最好的品种，在GGE双标图中同心圆的圆心(箭头所在位置)代表理想品种(图4)。事实上，理想品种并不一定存在，以和圆心的远近程度来比较参试品种与理想品种的差距[16]。参试品种越接近圆心代表该品种在目标性状指标的平均值和稳定性最好。

图4 参试品种与理想品种比较Fig.4 Comparison between tested varieties and ideal varieties

2.5.1产 量

从产量分析，对照a 18位于从内往外数的第二个同心圆，丰产性和稳产性较好；a 1、a 4、a 5、a 6、a 8、a 10和a 16离同心圆圆心较远，属于丰产性和稳定性均较差的品种；a 2和a 15在最内侧同心圆最靠近圆心，说明这两个品种在产量性状上更接近理想品种(图4 A)。

2.5.2穗 长

从穗长分析，a 2在最内侧同心圆最靠近圆心，其次是a 5、a 6、a 1、a 9、a 10、a 11、a 4，说明这些品种穗长的丰产性和稳定性均好于对照a 18。综合分析，a 2更接近理想品种(图4 B)。

2.5.3穗行数

从穗行数分析，a 17最靠近圆心，说明该品种穗行数的丰产性和稳定性均最好。而对照a18离圆心最远，说明该品种穗行数的丰产性和稳定性均较差。综合分析，a 17更接近理想品种(图4 C)。

2.5.4千粒重

从千粒重分析，a 11和a 18最靠近最内侧同心圆圆心，其次是a 15、a 5、a 14，说明这些品种千粒重的丰产性和稳定性均较好。而a 17离圆心最远，说明该品种千粒重的丰产性和稳定性均较差。综合分析，a 11更接近理想品种(图4 D)。

2.6 理想环境选择

理想环境是指对参试品种鉴别力最好且对所有试验点均具有代表性的环境，在GGE双标图中同心圆的圆心(箭头所在位置)代表理想环境(图5)。同理想品种一样，是以和圆心的远近程度来评价试验环境的优劣性[16]。试验点越靠近圆心代表该环境越接近理想环境。

2.6.1产 量

从产量分析，E 2最接近理想环境；其次为E 6、E 4、E 3等试验点；而E 7、E 10、E 5、E 9的鉴别力和代表性较差(图5 A)。

图5 理想环境选择Fig.5 Selection of ideal environment

2.6.2穗 长

从穗长分析，E 7最接近理想环境。E 3、E 9、E 1和E 10的鉴别力和代表性较差(图5 B)。

2.6.3穗行数

从穗行数分析，E 3试验点最接近理想环境，其次是E 5、E 9、E 2等试验点。E 1试验点的鉴别力和代表性最差(图5 C)。

2.6.4千粒重

从千粒重分析，E 2最接近理想环境，其次是E 6、E 9、E 10等试验点。E 4、E 7和E 8试验点的鉴别力和代表性较差(图5 D)。

3 讨 论

丰产性和稳产性是鉴定作物区域试验品种的重要指标，GGE双标图模型可有效对区域试验品种丰产性、稳产性进行评价[8]，并在考虑基因型与环境间互作的同时，评价各品种的特征特性，已成为分析品种与试验点互作效应的重要工具，被广泛应用于农作物品种区域试验及种质材料的高产性和稳产性评价[9-16]。

3.1 品种丰产性和稳定性分析

农作物品种的丰产性和稳产性分析是检验品种生态适应性是否优良的重要环节，京津冀早熟夏玉米区特殊的地理位置和相对复杂的气候环境，对玉米新品种的区域适应性要求很高。本研究表明，a 2和a 15属于丰产性和稳产性均较好的品种，适宜在京津冀早熟夏玉米种植区大面积推广种植；a 7属于丰产性较好，适宜在京津冀早熟夏玉米区积温偏低区域种植；对照a 18稳定性最好，在生产中仍具有推广价值。

3.2 试验点鉴别力分析

选择有鉴别力和代表性的试验点是农作物区域试验的基础。基因型与环境互作效应是影响品种稳定性和适应性的关键因素，是玉米新品种选育过程中必须考虑的问题，只有充分研究利用可重复的基因型与环境互作效应，才能提高玉米稳产性育种的选择效率[17]。玉米产量、穗长、千粒重在不同基因型和环境间存在极显著差异，基因型和环境间存在极显著互作效应[18]。重视基因型和环境的交互作用，优先考虑环境因素的影响，是筛选品种的关键[19]。本研究中各个试验点对不同性状的鉴别力和代表性差异很大。综合分析表明，E 2试验点对参试品种的产量、穗长、穗行数、千粒重等4个性状均具有较好的鉴别力，对产量、穗行数、千粒重等3个性状均具有较好的代表性，该试验点在2019年区域试验中最接近理想环境。

4 结 论

GGE双标图能够直观分析玉米区域试验中各个参试品种的丰产性和稳定性，全面分析参试品种的适应区域及试验点的鉴别力和代表性，从而筛选出理想品种和理想环境。在实际生产中，受不同年份环境的影响，理想品种和理想环境几乎是不存在的，因此要鉴别一个品种和试验点的好坏，还需要对多年试验数据进行分析。