基于GGE双标图的谷子种质资源耐旱性鉴定

肖继兵，刘 志，辛宗绪，陈国秋，吴宏生

(辽宁省旱地农林研究所，辽宁 朝阳 122000)

干旱是世界性的问题，是限制全球生产的最重要的非生物因素之一[1]。干旱对世界植物的影响在各种自然灾害中占首位，其危害相当于其他自然灾害的总和[2-3]，严重影响植物正常生长发育，制约了作物的产量[4]。中国旱地面积占全国总土地面积的52.5%，每年干旱损失的粮食达1亿t以上[5-6]。谷子(Setariaitalica(L.)Beauv)属于禾本科植物黍亚科(Panicoideae)黍族(Paniceae)狗尾草属(Setaria)。中国谷子种植面积占世界总面积的80%，在旱作农业生产和满足食物多元化消费中占有重要地位[7]，同时谷子也是禾本科作物功能基因组分析和耐旱研究的新型模式作物[8]。谷子虽然耐旱性较强，但干旱仍然是影响谷子产量和品质的主要因素之一[9]。因此，谷子耐旱育种过程中，在利用谷子耐旱种质资源之前，有必要对其耐旱性进行鉴定。

国内外学者针对作物品种的耐旱性提出了多种鉴定方法[10-14]，并从形态[15-16]和生理生化[17-18]指标及相关抗旱基因和蛋白[19-20]等方面进行了研究。目前，谷子耐旱性鉴定的研究主要集中在谷子的萌芽期、苗期和全生育期，依据相关形态指标、生理生化指标和产量指标等，通过主成分分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归分析等相结合的多元统计分析对种质资源的耐旱性进行综合评价和指标筛选[21-23]，而指标性状的耐旱系数和耐旱指数在评价体系中应用较为广泛[24-27]。谷子苗期是目前谷子种质资源耐旱性鉴定采用的主要方法[28-29]。张文英等[24]和刘婧等[25]研究认为，根冠比、单穗粒质量、株高和穗长可作为谷子全生育期耐旱性鉴定的指标，并用株高和穗长耐旱系数和产量耐旱指数对谷子品种耐旱性进行了评价，全生育期耐旱性鉴定结果相对更为可靠[25]。然而，任何评价方法都是对作物耐旱性实际结果的估计，不能代表真正的耐旱能力。迄今为止，国内外对耐旱性鉴定指标和评价方法均没有准确可靠的统一规定。目前普遍认为，多指标多方法相结合的耐旱性综合评价相对更加真实、可靠[30]，可以较好地揭示指标性状与耐旱性的关系。“GGE(基因型和基因与环境互作效应)双标图”由Yan等[31]首次提出，是一种新的分析多因素互作最高效直观的统计和图形展示工具。此法借助辅助线以图解的方式获得品种、鉴定指标或者评价方法间的相互关系，准确直观地反映出何种品种在何种环境下表现最佳，哪种指标为适宜的鉴定指标或评价方法。GGE双标图已广泛用于作物产量及稳定性分析[32-33]、作物品种生态区划分[34-35]与理想环境鉴别[36-37]、种质资源的筛选与评价[38-39]等方面。在GGE双标图基础上，又衍生出了GT(基因型-性状)双标图[40]，GT双标图是GGE双标图技术利用性状数据研究基因型的一种很好的工具[31]。随着GGE双标图的广泛使用，GGE双标图在作物耐旱性评价方面的研究也不断深入。杨进文等[41]利用GGE双标图综合分析了小麦品种耐旱性及不同品种耐旱性合理的性状判定指标，彭远英等[42]通过GGE双标图比较了燕麦属不同倍性种质资源各性状之间的关系及其对耐旱鉴定的贡献，孙小妹等[43]利用GGE双标图选择适宜的耐旱性评价方法。

谷子是辽西地区的主要杂粮作物之一，谷子耐旱性鉴定和指标筛选多在萌芽期和苗期进行，全生育期耐旱性鉴定的研究相对较少，而利用GGE双标图对谷子全生育期进行耐旱性鉴定的研究尚属首次。本研究通过考量相关农艺性状和产量指标的耐旱系数，以建立谷子种质全生育期耐旱性评价的可靠方法和鉴定指标，明确GGE双标图分析系统在谷子耐旱性评价和指标筛选上的应用效果，为谷子耐旱性鉴定研究提供一种新方法。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

试验于2019—2020年在辽宁省旱地农林研究所示范基地进行。该区地处北纬40°35′～42°20′，东经118°50′～121°20′，属北温带大陆性季风气候，四季分明，昼夜温差大，年平均气温7.15 ℃，年平均日照时数2 800 h，10 ℃以上积温平均为3 220 ℃，无霜期150 d左右，年平均降水量为438.9 mm，季节分布不均，70%～74%的降水集中在6—8月，以雨养农业为主，一年一熟。供试土壤为沙壤质褐土，有机质11.05 g/kg、全氮0.77 g/kg、碱解氮54.0 mg/kg、有效磷12.15 mg/kg、速效钾128.0 mg/kg，pH值7.6，田间持水量19.5%。2019，2020年谷子生育期降水量分别为341，382 mm。

1.2 试验材料

供试谷子材料包括辽宁省旱地农林研究所的9368(G1)、朝谷1001(G2)、朝谷12号(G3)、朝谷13号(G4)、朝谷14号(G5)、朝谷1459(G6)、朝谷15号(G7)、朝谷181(G8)、朝谷19号(G9)、朝谷20号(G10)、朝谷58号(G11)、朝谷59号(G12)、朝谷60号(G13)、朝谷62号(G14)、燕谷16号(G27)、燕谷18号(G28)，赤峰市农牧科学研究院的赤谷205-24(G15)、赤谷25(G16)、峰优5号(G17)，吉林省农业科学院的公谷84(G18)，山东省农业科学院的济白米1号(G19)，河北省农林科学院的冀谷43号(G20)、九谷31(G24)，通辽市农业科学院的金谷(G21)，山西省农业科学院的晋111(G22)、太选26号(G26)、长农35(G29)、长生15(G30)，吉林市农业科学院的九谷11号(G23)，黑龙江省农业科学院的嫩选18(G25)。

1.3 试验设计

试验设干旱胁迫 (DS)和对照 (CK)2种处理，每种处理30份谷子材料。采用随机不完全区组设计(alpha-格子设计)，3次重复，小区面积1.5 m2(1.5 m×1.0 m)，每个品种播种3行，行长1.5 m，行距25 cm，株距6.8 cm。播种前每区施高氮长效缓释复合肥(N 26%、P2O512%、K2O 12%)600 kg/hm2作基肥，整个生育期不再追肥。干旱处理在移动式耐旱棚的干旱池内进行，播种前和定苗(5—6叶期)后分别灌水至田间持水量的70%，之后不再灌水，进行干旱胁迫处理；对照处理(非水分胁迫)在移动式耐旱棚外邻近地块进行，生长期间以自然降水为主，若遇严重干旱，适当灌水，保证谷子正常生长。

1.4 测定项目与方法

农艺性状的调查包括株高(PH)、倒二叶叶面积(LA)、主茎节数(SNN)、穗颈长(TNL)、茎叶干质量(SLDW)、穗长(SL)、单株穗质量(SWP)、穗粒数(KPS)、千粒质量(TGW)、单株粒质量(GWP)和小区产量(Y)，成熟后每小区中间行取样10株，参照谷子种质资源描述规范和数据标准进行，2个年度平均值作为供试性状测定值，土壤含水量采用烘干法测定。

1.5 数据分析

①

式中，DC为指标性状的耐旱系数；xi、CKi表示干旱、对照处理的性状测定值，n为指标性状数量；i为指标性状。

采用R语言的GGEBiplotGUI 包进行GGE双标图绘制，GGE双标图模型方程为：

②

式中，Yij是基因型i与性状j组合的遗传值；μ是所有涉及性状j的组合的平均值；βj是性状j的主效应；λ1和λ2为主成分PC1和PC2的单值分解；gi1和gi2分别是基因型i在关于主成分PC1和PC2上的特征向量；e1j和e2j分别是性状j在关于主成分PC1和PC2上的特征向量；Dj是表型标准差；εij是与基因型i和性状j相结合的模型残差。

采用SPSS 26.0进行配对样本t测验和联合方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理土壤水分

图1所示土壤含水量为质量含水量。2019，2020年谷子抽穗期和成熟期，CK和DS处理各层次土壤水分t检验差异均达显著水平(P<0.05)。2019年，DS处理抽穗期和成熟期0～20 cm土壤含水量分别为6.59%和6.18%(相对含水量分别为33.79%和31.69%)，0～60 cm土壤含水量分别为9.39%和8.68%(相对含水量分别为48.15%和44.51%)；2020年，DS处理抽穗期和成熟期0～20 cm土壤含水量分别为8.51%和6.32%(相对含水量分别为43.64%和32.41%)，0～60 cm土壤含水量分别为8.75%和7.25%(相对含水量分别为44.87%和37.18%)。一般认为，当土壤相对含水量<40%时，作物受旱严重，土壤相对含水量为40%～60%时，作物呈现旱象[45]。2个处理的土壤含水量差异主要在抽穗期至成熟期，DS处理0～20 cm土壤含水量达重旱程度，说明谷子干旱胁迫处理有效。

2.2 不同处理对谷子农艺性状和产量的影响

联合方差分析表明(表1)，土壤水分环境对TGW有显著影响，对其他指标有极显著影响，基因型对SWP、GWP有显著影响，对其他指标有极显著影响，土壤水分环境与基因型互作对谷子生长性状有极显著影响，说明生长性状更易受环境变化的影响。在干旱胁迫下，各指标性状值较CK均发生不同程度下降。t检验结果表明(表2)，处理间各性状成对数据差异均达到极显著水平(TGW除外)(P<0.01)，其中SWP差异最大，其次为TNL。干旱胁迫处理和CK处理各性状变异系数分别介于8.53%～43.32%(平均值为24.42%)和6.95%～48.36%(平均值为21.15%)，干旱胁迫处理各性状变异系数大于CK(Y除外)。SNN和TGW的变异系数小于10%，说明二者在谷子材料间的离散程度较小。

小写字母表示0.05显著水平；大写字母表示0.01显著水平。Lowercase letters indicate significant difference at P<0.05; capital letters indicate significant difference at P<0.01.

表1 干旱胁迫和供水条件下不同基因型谷子农艺性状的联合方差分析Tab.1 Combined analysis of variance for agronomic traits of different foxtail millet genotypes under drought stress and well-watered

表2 供试谷子材料形态和产量指标描述性分析Tab.2 Descriptive analysis of morphology and yield indicators of foxtail millet

2.3 各指标性状耐旱系数

从表3可以看出，各性状的变异系数以SLDW和Y较大，其次为KPS。供试谷子材料在干旱胁迫处理后，各性状平均耐旱系数均小于1，各指标性状耐旱系数平均值从大到小依次为TGW、SNN、SL、LA、PH、TNL、SLDW、SWP、KPS、GWP、Y。同一材料不同性状及不同材料同一性状耐旱系数均有较大差异，说明各指标性状对干旱胁迫反应的敏感性不同。对各性状耐旱系数以组距为0.2分成5个区间组，制成频次分布表 (表4)。可以看出，不同指标DC值的分布区间及同一区间不同指标DC值的分布次数和频率差异较大。可见，用任何单一指标的耐旱系数来评价品种的耐旱性都存在片面性和不稳定性，必须用多个指标进行综合评价才较为可靠。

表3 供试谷子材料各性状耐旱系数Tab.3 Drought tolerance coefficient of each trait of foxtail millet genotypes

表4 供试谷子材料各性状耐旱系数区间分布Tab.4 Interval distribution of drought resistance coefficients of each trait of foxtail millet materials

2.4 谷子耐旱性GGE双标图分析

以不同谷子材料和农艺性状的耐旱系数(表3)为基础，通过R软件制作基因型-性状的GGE 双标图。在GGE双标图上，同时给出供试材料和耐旱评价指标的图标，从而分析作物种质与耐旱指标间的关系以及各指标性状在种质耐旱性评价上的相似性[42，46]。GGE双标图通常选取所有材料和相应形态指标的前2个主成分(PC1 和 PC2)得分作为横坐标和纵坐标绘于二维图上即形成GGE双标图，而将其后的主成分信息合并为模型残差[47]。

从图2可以看出，PC1(AXIS1)和PC2(AXIS2)总计解释了GGE总变异的71.15%，数据信息基本得到充分展示。GGE双标图中，连接原点和各性状的直线称为“向量”，两向量间夹角的余弦近似于它们之间的遗传相关系数[48]，据此判断指标间的相关性。2个指标向量夹角小于90°时，夹角越小，正相关越显著；夹角大于90°时，夹角越大，负相关越显著；夹角接近90°时，表示无相反。正相关说明评价指标对品种耐旱性的评价相似，负相关说明评价指标对品种耐旱性的评价相左。图2-A为各指标向量的相关性，可以看出，多数指标间呈正相关，有些指标存在紧密正相关，如生长性状PH、LA、SLDW和SL之间及产量性状SWP、GWP、KPS和Y之间，说明这4个生长性状及4个产量性状对谷子材料耐旱性评价相似。PH、LA、SLDW、SL与TGW夹角近似90°，说明这4个生长性状耐旱系数与千粒质量耐旱系数相关性不显著；SWP、GWP、KPS、Y与TGW夹角大于90°，说明这4个产量性状耐旱系数与千粒质量耐旱系数负相关。

图2-B为供试谷子材料与耐旱指标的关系。GGE双标图能直观鉴别在不同指标下表现最好的材料，图中的多边形由连接同一方向上距离原点最远的谷子材料组成，它把所有谷子材料都框在其内，再从原点出发做多边形各边的垂线，这些垂线将整个双标图分成几个扇区。不同的材料和相关形态指标位于相应的扇区，并由此把耐旱评价指标分为不同的组，评价指标与材料位于相同的扇区表明，该指标对此材料的耐旱性影响最大。一般情况下，每个区内的“顶角”材料即为该扇区所包含性状名义上耐旱性表现最好或接近最好的材料，位于多边形内部或者靠近原点的材料则耐旱性表现稍差或较差。如顶角材料所在扇区未包含任何性状，则说明该顶角材料耐旱性表现最差。由图2-B可以看出，双标图基本被分成3大区域，谷子材料11个耐旱性鉴定指标落在其中2个区域。TGW和TNL为一组，其他指标为一组。在G30(顶角材料)扇区，G30、G1、G26、G25、G14、G4、G29等基因型在SWP、GWP、KPS、Y、SNN、LA、SLDW、PH、SL指标上的综合表现较好，这些指标基本反映了谷子的耐旱性，因此，这些材料综合耐旱性相对较好，G30综合耐旱性相对更好；在G13(顶角材料)扇区、G13、G15、G17在TNL和TGW指标上表现较好；G6(顶角材料)扇区不包括任何耐旱鉴定指标，说明G6扇区所有材料在耐旱鉴定指标上的表现都不好，综合耐旱性相对较差，其中G6耐旱性最差，其次为G11。这进一步说明谷子材料的耐旱性可以通过不同的农艺性状体现。

A.耐旱指标相关性(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；B.供试材料与耐旱指标的关系(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；C.参试材料与理想材料比较(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；D.评价指标与理想指标比较(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=1)。

利用GGE双标图可以确定一个理想耐旱材料和耐旱鉴定指标的位置[49-50]。理想耐旱材料指在所有耐旱鉴定指标中表现最好的材料，理想耐旱鉴定指标指对所有参试材料耐旱性分辨能力最强，对所有耐旱鉴定指标最具普遍代表性。所谓 “理想” 材料和指标现实中并不一定存在，但可作为供试材料和指标理想程度比较的参照。以理想材料和指标为圆心做多层同心圆，根据与理想材料和指标的接近程度可直观地对供试材料和指标的优劣进行排序。越靠近同心圆中心，则表示该材料和指标越理想。图2-C、D中同心圆的圆心(箭头位置)代表理想材料和指标的位置。由图2-C可以看出，G1、G4、G14、G15、G17、G25、G26、G29和G30较其他材料更接近同心圆中心，耐旱性较强；G6离同心圆中心最远，说明G6耐旱性最弱，其次是G11，再次为G18。从图2-D可以看出，PH、SL、LA、SLDW较靠近同心圆中心，其次为SNN和SWP，说明这2组指标对谷子种质耐旱性鉴定能力较强。由于PH、SL、LA和SLDW之间显著正相关，SNN和SWP显著正相关，因此，可以从2组指标中各选择一个简便指标鉴定谷子耐旱性，如PH(株高)和SWP(穗质量)；TGW距离同心圆中心最远，耐旱性鉴定能力最弱。

3 结论与讨论

3.1 谷子耐旱性鉴定方法

干旱胁迫是影响谷子生长发育的重要因素，植物生理学意义上的耐旱性是指植物对干旱胁迫的适应性和抵抗力，其耐旱能力的高低主要表现在产量方面。产量的高低是农业生产中作物耐旱性能最实用的综合表现[51]，因而有学者提出了以产量指标为依据的耐旱性直接评价方法[12-13，52]。这种评价方法能够简便、快速地对耐旱性进行大致的评判，但可能不利于从整体上把握作物耐旱的类型和机理，难以全面准确地反映各材料的耐旱性强弱；而且也有研究认为，仅依靠产量指标难以真正鉴定出作物的耐旱性[53]。作物的耐旱性是受多基因控制的复杂的数量性状，很难用单个指标进行耐旱性鉴定，使用多指标评价则更能从不同阶段、不同侧面反映作物耐旱性的强弱和特点，可避免单一性状的片面性和不稳定性[10，12，26]。

同一作物不同品种原有遗传背景并不相同，因此，综合考虑作物在正常供水和干旱处理条件下的性状表现是鉴定作物耐旱性强弱的有效方法。耐旱系数法是经典的耐旱性评价方法，为各国学者所认可，反映了干旱胁迫条件下作物农艺性状和产量的变幅，可有效消除不同谷子材料的遗传背景差异，是目前作物耐旱性鉴定用得最多的方法[54]。用耐旱系数法筛选的材料不一定具有较好的丰产性，但可能蕴藏着耐旱基因，可为耐旱育种提供优异资源[52]，是一种简便的度量基因型与环境互作的指标[24]。GGE双标图是一种研究基因型与性状关系的有效工具，它最初是为了从多环境数据中研究数量性状的基因型×环境互作发展而来[37]。本研究以不同谷子材料和农艺性状的耐旱系数做基因型-性状的GGE双标图，从而直观分析谷子材料与耐旱指标间的关系。GGE双标图将供试评价指标分成2组，且不同谷子材料对应不同的耐旱评价指标，说明谷子的耐旱性是一个复杂的综合特性，最终通过不同性状体现出来。GGE双标图可以直观地展现供试谷子材料耐旱性的强弱及耐旱鉴定指标的优劣。

3.2 谷子耐旱评价指标的筛选

联合方差分析表明，土壤水分环境对耐旱指标有显著影响，说明所选农艺性状指标可用于谷子耐旱性评价。基因型对SWP、GWP有显著影响，对其他指标有极显著影响，表明所选谷子基因型丰富，适宜进行耐旱性鉴定。基因型与环境交互作用(G×E)揭示了基因型在不同环境中相对表现的不稳定性，显示了基因型的尺度效应。本研究表明，基因型与土壤水环境的交互作用极显著影响谷子的生长性状，但对产量性状的影响不显著(TGW除外)，即不同的土壤水分环境下，生长性状的稳定性低于产量性状，表明供试材料的产量性状可能具有较强的耐旱性。

作物的耐旱性是环境胁迫与基因型互作的结果，最终通过各种性状在不同发育时期的一系列变化体现出来，不同指标性状对干旱胁迫的敏感性存在很大差异，一般来说，生长发育和产量指标是鉴定耐旱性的可靠指标。已有研究表明，株高、单株穗质量、单穗粒质量和穗长等指标可作为谷子全生育期耐旱鉴定指标[24-26]。植株生长过程中应对干旱所做出的反应表现为植株农艺性状的改变，本试验以在不同处理下测定的农艺性状和产量指标表现值为依据进行研究。结果表明，各耐旱评价指标平均耐旱系数均小于1，但有些材料个别指标耐旱系数大于1(如G7的SNN、G9的SLDW、G15的TGW等)，说明干旱胁迫促进了这些指标性状的增加，这可能是由不同种质材料抵抗干旱胁迫的能力不同所致。GGE双标图分析表明，PH、SL、SLDW和LA距离“理想耐旱鉴定指标”较近，其次为SWP和SNN，由于PH、SL、SLDW、LA间夹角较小，SWP和SNN间夹角也较小，因此，从这2组指标中各选择一个简单直观的耐旱鉴定指标即可，可以选择株高(形态指标)和穗质量(产量性状)指标，因为这2个指标相对比较简单直观，易于测量。干旱胁迫下的植株高度是该种群的主要特征，干旱胁迫最明显的影响之一就是植株高度降低[55]。这是由于干旱胁迫导致植株体内水分匮乏，必然影响到生理生化过程和器官建成，进而对生长发育造成伤害。植物生长迅速时(营养生长阶段)的水分胁迫首先限制了植物的株高[56]，降低了净光合速率，使植物的同化产物减少，同时降低了结实率，进而减少穗粒数和单株穗质量。株高是判断作物在干旱条件下能否正常生长的直观形态指标，可以作为耐旱性评价的可靠有力证据[56]，产量性状(穗质量等)是作物是否耐旱的最终表现。GGE双标图分析法理论上科学，应用上直观简便，但双标图分析只能利用前2个主成分近似地表达二维数据表的信息，通常不能100%解释二维数据表。本研究对GGE双标图的分析是在其可以充分近似代表试验数据的假设条件下进行的。如何判断这个假设是否满足，主要看双标图的拟合度，即前2个主成分(PC1和PC2)所解释的试验数据占总变异的百分数。本研究中双标图的拟合度是71.15%，能够较好地近似试验数据。而且无论数据多么复杂，由PC1和PC2所构成的2-D双标图所显示的规律总是数据中最重要的规律[57]。

本研究表明，土壤水分环境对TGW有显著影响，对其他指标有极显著影响，基因型对SWP、GWP有显著影响，对其他指标有极显著影响，基因型和土壤水分环境互作极显著影响谷子生长性状，对产量性状影响不显著(千粒质量除外)。GGE双标图以图解方式直观有效地解析了供试材料耐旱性的强弱和耐旱评价指标的优劣及耐旱评价指标之间的相关性，揭示了谷子材料和耐旱评价指标之间的关系，对谷子材料耐旱性的评价结果与生产实际表现相符，株高和穗质量可作为谷子全生育期快速、准确的耐旱性鉴定指标。GGE双标图分析简单直观可靠，对谷子全生育期耐旱性鉴定具有显见的实用价值。