2002—2021年内蒙古自治区普通玉米审定品种性状演变及综合分析

余忠浩， 周亚星， 周 伟， 王 静， 张立东

(1.内蒙古民族大学农学院， 内蒙古 通辽 028043； 2.通辽市农牧局， 内蒙古 通辽 028000；3.通辽国家农业科技园区发展服务中心， 内蒙古 通辽 028000)

玉米是我国重要的粮、饲、经兼用作物[1]。发展玉米产业对保障我国粮食安全具有重大意义。合理利用优良种质资源是加快地区品种选育进度的重要保障，系统分析农作物品种性状演变趋势是提高地区育种水平的有效方法。

目前，已有许多学者对全国各省市玉米品种进行了全面的研究分析。张春娇[2]对近十余年黑龙江省审定玉米品种进行分析后发现，黑龙江省玉米品种的容重和粗蛋白含量均有较大程度的提升，但千粒重和粗淀粉含量没有明显变化。李小凤等[3]通过探究广东甜玉米主要性状的改变后发现，当今玉米育种正在朝高产、优质、抗病抗倒、适应性强等复合性目标迈进，要注重品种转化及推广应用，促进我国玉米发展。王令涛等[4]通过分析河南省近十余年玉米审定品种的产量和农艺性状的演变后提出，耐密宜机收品种是目前高产品种选育的重点。杨锦越等[5]通过对西南地区45个不同品种(系)玉米品种进行评价，综合分析得出多个优良的宜机收玉米品种。内蒙古自治区是我国玉米生产的重要产区之一，探究其近年来玉米品种农艺性状变化趋势以及亲本自交系的利用情况，可以明确未来育种方向，为确定育种目标打下良好的基础。本研究通过整理分析2002—2021年内蒙古自治区普通玉米品种审定信息，对其农艺性状演变趋势进行综合分析，旨在挖掘内蒙古自治区玉米新品种选育目标的变化特点，以期为日后确立玉米育种方向提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 数据来源

数据来源于2002—2021年内蒙古自治区品种审定公告。

1.2 数据处理

数据来源于内蒙古自治区品种审定公告。收集各品种的株高、穗位、穗长、穗粗、百粒重、出籽率、产量、穗行数与行粒数。其中数据不全的以数据缺失进行处理，对给出数据范围的以其平均值进行分析。按照生育期不同将品种划分为三个组：A组(早熟-极早熟)、B组(中熟-中早熟)和C组(晚熟-中晚熟)。

1.3 综合评价分析

1.3.1遗传多样性指数

根据各性状的平均值(X)和标准差(σ)划分性状的等级，按照公式R=X±kσ，k=0、0.5、1、1.5、2，将各个性状的数值进行分级，并将各农艺性状划分为10级从第1级[Xi<(X-2d)]到第10级 [Xi>(X+2d)],每0.5 d为1级，每一级的相对频率用于计算多样性指数[6]。遗传多样性指数(H′)=-∑Pi·lnPi，式中：Pi为某一性状第i个级别出现的频率;参试材料各性状的多样性指数[7]。

1.3.2主成分分析

使用模糊隶属函数法对821个品种的9个性状指标进行标准化处理，使其定义在[0,1]之间，计算公式：

Uij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，

式中：Uij表示隶属函数值，Xij为品种i在指标j的测定值，Xjmax与Xjmin为试验材料指标的最大值和最小值[8]。将标准化的数值使用DPS进行主成分分析，算出各主成分因子得分，将各指标带入得到各主成分得分，用贡献率求得各主成分权重，最终得出每份品种的综合得分S。

2 结果与分析

2.1 审定品种总述

2.1.1描述性统计分析

作物品种的遗传多样性是作物遗传改良的基础。20年间内蒙古自治区审定普通玉米品种的农艺性状发生了很大改变，呈现出丰富的遗传多样性(表1)。玉米品种各农艺性状变异系数在2.49%～16.74%之间，其中变异系数较高的是穗位、株高、产量和百粒重等4个性状，表明这4个性状育种过程中变化最大。玉米高产的主要途径之一是增加种植密度，但种植密度增加的同时会使玉米倒伏情况加剧，而穗位高度的变化与植株抗倒伏性息息相关，较低的穗位高可以显著降低玉米植株的重心，避免玉米灌浆后期发生大面积倒伏而减产的情况[9]。由表1可知，穗位、株高、产量和百粒重等4个性状的变化情况体现出内蒙古自治区普通玉米选育在兼顾高产优质的同时，耐密植和适宜机械化作业也是其主要目标。

表1 内蒙古自治区审定玉米品种农艺性状分析Table 1 Agronomic traits analysis of maize varieties approved in Inner Mongolia Autonomous Region

2.1.2审定品种数量

种子是农业的芯片，内蒙古自治区是全国玉米的主产区之一，玉米品种的审定数量从一定程度上反映了当地玉米育种水平的高低[10]。据统计(见图1)，2002—2021年间内蒙古自治区共审定通过玉米品种821个，其中2003年审定品种数量最少，为13个，2021年审定品种数量最多，为133个。随着国内育种单位增加以及育种水平的提高，2002—2010年间审定玉米品种数目不断增加，但是随着我国品种审定流程越来越规范以及《种子法》的不断完善，自2010年后品种审定数目略有下降。此后，为加强优良品种选育，完善品种测试体系，通过开展联合体试验和审定，促进了区试体系大繁荣，使得原有品种测试体系得到扩充和发展，加快了品种审定的步伐[11]。自2012年起，品种审定数量快速增加，仅2021年就审定普通玉米新品种133个。内蒙古自治区审定品种数量的增加，在提升当地栽培品种丰富度的同时，也促进了全区制种业的发展，提高了种业间的市场竞争力，对内蒙古自治区的种业安全提供了可靠的保障。

图1 审定品种数量Fig.1 Number of approval varieties

2.2 品种血缘分析

2.2.1亲本自交系分析

玉米种质资源是选育优良品种的遗传物质基础，在玉米品种改良工作中占有重要地位[12]。由表2可知，2002—2021年间，作为亲本选育出3个及以上品种的自交系有25个，共育成品种123个，占全部育成品种的14.98%。育成品种数量较多的为昌7-2和K 10两个自交系，分别育成品种16、14个，可作为内蒙古自治区审定品种的骨干亲本。由此可见内蒙古自治区审定普通玉米品种的亲本自交系繁杂多样，具有深厚的遗传改良基础，在日后玉米育种过程中具有极大的利用潜力。

2.2.2骨干自交系

黄早四：玉米骨干自交系黄早四是我国玉米杂种优势利用中的核心种质，以其为基础材料选育衍生出数以百计的黄改系，形成我国特有的黄改群(或称塘四平头群)核心种质群[13]，是我国主导品种郑单958、京科968等优良品种的亲本自交系，在我国玉米育种史中发挥了极其重要的作用。由图2可以看出，黄早四在内蒙古自治区玉米育种过程中具有突出的作用，在2002—2021年间通过内蒙古自治区审定的普通玉米数量最多的前24个自交系中，有3个是其衍生自交系(昌7-2、K12和吉853)，直接或间接育成品种28个。

图2 黄早四系谱图Fig.2 Family tree of Huang Zao 4

表2 自交系利用情况Table 2 Inbred line utilization

K 10：K 10是由黑龙江省农业科学研究院选育的早熟型玉米育种骨干自交系，归属于Reid群体，广适性强，在我国东北春玉米区曾广泛种植[14]。以K 10作为亲本选育的玉米品种大多为早熟型，占全部审定早熟品种的3.47%，主要种植在内蒙古自治区≥10 ℃活动积温<2 300 ℃的区域。在近20年中，以自交系K 10作为亲本选育通过内蒙古自治区审定的普通玉米品种共14个，仅次于昌7-2，是内蒙古自治区玉米杂种优势利用的第二大自交系。

Mo 17：Mo 17是我国从美国引进的著名玉米自交系，是Lancaster类群的代表自交系[15]。在2002—2021年间内蒙古自治区审定的普通玉米品种中，以Mo 17为亲本直接育成品种5个，以其优良衍生系合344为亲本育成品种8个，共选育13个普通玉米新品种(图3)。

图3 K 10与Mo 17系谱图Fig.3 Family tree of K 10 and Mo 17

2.3 选育单位

由表3可知，内蒙古自治区审定普通玉米品种的主要来自科研院所(高校)、企业、个人选育和合作育成4种，其中企业单独育成品种所占比值最大，20年间共通过审定普通玉米新品种647个，占全部品种的78.81%，其次为科研院所育成和两育种单位合作育成，占比分别为10.23%和9.74%，由个人育成品种数量最少，仅为1.22%。审定玉米新品种数量最多的前10家育种单位共选育玉米新品种190个，占全部品种的23.11%，其中有8家是民营企业，2家为科研院所(表4)。可见民营企业在内蒙古自治区玉米品种选育中占据主要地位，是我区玉米育种发展的主力军。

表3 选育单位Table 3 Breeding units

表4 选育品种最多的前十家育种机构Table 4 Top ten breeding institutions with the most varieties

2.4 农艺性状演变趋势

适宜的株高与穗位可以提高植株养分利用效率和抗倒伏性，进而影响作物产量[16]。2002—2021年间，内蒙古自治区审定玉米品种的株高介于154～345 cm之间，且平均株高呈逐年显著上升趋势。审定品种的穗位在35～170 cm之间，平均穗位高度呈下降趋势，但变化不明显。早熟品种穗位高度整体呈先下降后上升趋势，在2008年达到最低值，为67 cm。由此可知，株高的增加与穗位高度的下降有利于培育光合效率高，抗倒伏能力强的品种，可以更大限度地适应目前农业机械化作业的趋势。

2.5 产量性状演变

基于产量性状而言，2002—2021年间审定品种的平均产量逐年增加，上升趋势较为平缓并且晚熟品种平均产量普遍高于其他生育期品种的平均产量(图5 A)。但是内蒙古自治区审定玉米品种的其他产量性状，诸如百粒重(图5 B)、出籽率(图5 G)等均呈现下降趋势。其中，审定品种平均穗长(图5 E)、穗粗(图5 F)以及行粒数(图5 D)下降幅度较为明显。并且晚熟品种各性状数值普遍高于早熟、中熟品种。由此看来，审定玉米品种农艺性状演变趋势符合种植密度增加导致生物量减少的特质，并且内蒙古自治区培育的玉米新品种也正在从大穗向中小型穗转变，这一变化趋势与张前进等[17]的研究结果一致。

图4 审定品种农艺性状演变趋势Fig.4 Evolution trend of agronomic traits of approval varieties

2.6 相关性分析

由表5可知，玉米各个性状间均有较为显著的相关性，穗位与穗长和行粒数呈显著性差异，与出籽率差异不显著；穗长与穗行数和产量差异不显著；穗行数与百粒重和出籽率差异不显著，其余各个性状间均呈现极显著差异。由此可知，在进行新品种选育时不能只抓住某个单独性状进行改良，深度分析各个性状间的相关性才能有效地提高育种效率，明确育种目标。

表5 审定品种农艺性状相关性分析Table 5 Correlation analysis of agronomic traits of approval varieties

3 优良品种筛选

3.1 主成分分析

主成分分析是能将复杂的多个指标转化为简洁的少量综合性指标的分析方法。所得的指标既保持原有信息，又彼此独立[18]。对20年间内蒙古自治区审定的821个玉米品种的9个农艺性状进行主成分分析，根据累计贡献率大于85%的原则选取前6个主成分(表6)。在第一主成分中，荷载量大且数值为正值的是株高因子和产量因子，贡献率37.27%。第二主成分荷载量大且为正值的是百粒重因子和出籽率因子，贡献率为15.25%。第三主成分中荷载量大为正值的是穗长因子，贡献率为12.07%。在第四主成分中，荷载量大且数值为正值的是穗粗因子和行粒数因子，贡献率为10.37%。第五主成分荷载量大且为正值的是穗行数因子，贡献率为7.8%。第六主成分中荷载量大为正值的是穗长因子和出籽率因子，贡献率为6.91%。

图5 审定品种产量性状演变趋势Fig.5 Evolution trend of yield traits of approval varieties

表6 主成分分析Table 6 Principal component analysis

将821个玉米品种的各项性状带入主成分因子得分中，算出各品种的主成分得分(S)。第一主成分得分为S1=0.46X1-0.45X2+0.12X3+0.39X4+0.29X5-0.19X6+0.27X7+0.47X8+0.09X9。利用6个主成分贡献率权重创建用于筛选优秀品种的评价指标S，即S=0.42S1+0.17S2+0.13S3+0.12S4+0.09S5+0.08S6。S值越高，表明该品种的综合性状越好。

3.2 综合筛选

DTOPSIS法是用于有限方案多目标决策分析的一种常用方法，基于归一化后的原始矩阵，找出其最优方案和最劣方案，并通过计算评价对象与两者间的距离获得各评价对象与最优方案的相对接近程度(C)，以此作为评价优劣的依据，并且可以定量地全面客观地考虑多个性状对品种优劣的影响，相比于其他分析方法所得的结果更加准确，适应性更广[19-22]。将821个玉米品种的9个农艺性状进行DTOPSIS分析，得到全部品种的综合分值(C)，并对其进行排序选出排名靠前的20个玉米品种，与按照其主成分得分(S)进行排序选取的排名前20的玉米品种进行对比，可以发现，赤单661、内单305、布鲁克2号、禾平602、内油1、欣玉305、丰田10号、晟单821、峰单189、宇鑫706、晟科288、MC 703和金山6号这13个玉米品种在两种分析方法中的综合性状表现均较为突出(表7)，可以深度挖掘其优良品质，在今后的育种中作为优良亲本加以利用。

表7 主成分-TOPSIS对比排名Table 7 Principal component -TOPSIS comparative ranking

4 讨 论

4.1 种质资源与选育单位

丰富的种质资源是育种研发的基础。内蒙古自治区玉米品种的自交系来源于多个杂种优势群体，如隶属于唐四平头群的黄早四，Ried群的K 10和Lancaster群体的Mo 17等，多样的自交系群体极大地促进了内蒙古自治区玉米育种发展。通过分析后发现，2002—2021年间，内蒙古自治区审定品种数量超过3个的自交系有25个，共选育品种123个，仅占全部审定品种的14.98%。从侧面体现出内蒙古自治区多个优良自交系没有得到很好利用，还有很大的开发潜力。

内蒙古自治区审定玉米品种的选育主要来源于4类机构，分别是科研院所(高校)、企业、个人以及三者间合作选育。在内蒙古自治区，玉米新品种的选育主要集中在企业方面，20年间由企业选育并通过审定的普通玉米品种有647个，占全部审定品种的78.81%。由此可见，随着市场化改革的不断推进，育种企业逐渐成为种业市场主导群体，大大激发了育种行业的创新活力，为内蒙古自治区育种事业的发展夯实了基础。

4.2 性状演变

2002—2021年内蒙古自治区审定玉米品种的出籽率和百粒重逐年下降，但平均产量不断上升，符合种植密度的提升导致玉米单株生物产量下降的规律。早熟品种穗位高度呈先下降后升高趋势。而中熟、中晚熟和晚熟品种穗位高度在不断降低，使得玉米植株重心下移，株高/穗位的比值变大，减少了玉米倒伏的风险。玉米穗部性状与玉米产量关联十分紧密，玉米果穗的穗长、穗行数和百粒质量性状对玉米单株产量起决定作用[23]。审定玉米品种的穗长、穗粗、穗行数、行粒数均逐年下降，直观表现出玉米果穗在形状上由大穗向小穗的转变。有关研究表明，穗粒数少、籽粒小等穗部特征有利于籽粒脱水，而收获期籽粒含水率低是实现机械粒收的基本要求[24-25]。不同熟期玉米品种的各性状有较大的差别，本研究对近20年来内蒙古自治区审定的821个普通玉米品种按照其生育期划分后进行比较分析，结果表明，晚熟组的玉米品种各农艺性状要优于其他组别，这与王亮等[26]、武翠等[27]的研究结果略有出入，推测可能是受到内蒙古自治区地域影响，早熟、中早熟品种种植区域的各项生长因素没有达到玉米生长的最佳需求水平，从而对其各农艺性状造成了一定的影响。

4.3 优良品种的筛选

内蒙古自治区在2002—2021年间共审定玉米品种821个，通过主成分分析和DTOPSIS两种分析方法进行综合筛选，共选出赤单661、内单305、布鲁克2号、禾平602、内油1、欣玉305、丰田10号、晟单821、峰单189、宇鑫706、晟科288、MC 703和金山6号等13个综合性状优良的玉米品种。这些品种适应性较广，并且大部分农艺性状符合大型机械化作业的要求，可以进一步对其亲本自交系进行改良，在玉米新品种选育中加以利用。

5 结 论

2002—2021年间，内蒙古自治区审定的普通玉米品种的株高和产量在逐年提高，但是其他农艺性状如穗粗、穗长、百粒重等都呈下降趋势，符合种植密度的提高而导致植株生物量下降的情况。中、晚熟品种的穗位高度不断降低导致玉米植株重心下移，减小了密植下植株倒伏的风险。为了进一步提高玉米产量，在耕地有限的前提条件下，内蒙古自治区普通玉米新品种的选育目标逐渐从提高单株产量转向提高整体产量，突出表现在新品种耐密性的提高。在当今全球极端天气频繁发生的背景下，依据本研究结果，认为内蒙古自治区玉米育种目标应以耐密植、脱水快、宜机收等性状为主。

对全部审定品种进行综合分析，筛选出13个优良玉米品种，可进一步对其亲本自交系进行研究，在今后的育种工作中加以利用。2002—2021年间审定玉米品种的亲本自交系繁杂多样，属于多个优良的杂种优势群体，极大地促进了玉米育种的发展。但是玉米选育过程中自交系利用率较低，选育超过3个品种的自交系仅有25个，以其作为亲本选育的品种数量仅占全部品种的14.98%，表明我国对玉米核心种质资源的利用还不够深入，依然存在种质资源“卡脖子”的问题。今后还应通过加大对本土优良玉米自交系的研究、引进国外优良种质以及两者间组配等方法来选育玉米新品种，以促进玉米育种事业的发展，提高玉米种业的市场竞争力。