基于云南玉米杂交种测试的性状多样性及相关性分析

姚宗泽，杨艳，王世敏，刘艳芳

（1.云南省农业科学院质量标准与检测技术研究所，云南 昆明 650205；2.昭通学院农学与生命科学学院，云南 昭通 657000）

【研究意义】玉米（Zea maysL.）是世界上最重要的粮食作物之一，我国玉米常年种植面积和总产量均排在粮食作物的第一位。玉米杂交种具有高产、高抗、优质等特征，深受人们喜爱，在国家粮食安全中发挥着重要作用［1］。在云南，玉米有着悠久的栽培历史［2］，也正是由于玉米能适应云南多样性的地理环境和各种气候类型，满足当地生产［3］，云南成为我国重要的玉米生产区。近年来，云南玉米播种面积和产量均占全国前十位。在玉米生产过程中，种子是获得高产、稳产和优质的关键基础［4］，也是假冒套牌、侵权纠纷的主要根源［5］。为保护育种创新，我国于2000年实施植物新品种保护制度，玉米列入我国第一批植物新品种保护名录。2022 年3 月1 日，新修订的《种子法》［6］将植物品种权保护环节由原来的“生产、繁殖、销售”扩大为“生产、繁殖和为繁殖而进行处理、许诺销售、销售、进口、出口以及为实施上述行为储存该授权品种的繁殖材料”，将保护范围由原来的“繁殖材料”延伸至“繁殖材料和收获材料”，将赔偿数额上限、限额由原来的“三倍、300 万”增加到“五倍、500万”。通过保护环节、保护范围和赔偿金额三方面进一步加大对植物新品种权的保护。更为重要的是，新《种子法》建立了实质性派生品种制度，即确定为实质性派生的品种在后期生产销售过程中，需向其原始品种支付费用。根据我国植物新品种保护制度，申请品种权的玉米品种须进行DUS 测试［7］。DUS 测试采用测试指南中列出的性状对申请品种和近似品种进行测定，综合申请品种和近似品种在各性状上表达状态，得出申请品种是否具备特异性，即是否新品种的结论［8］。DUS 测试性状通常是表型性状，包含质量性状、假质量性状和数量性状。鉴于数量性状通常由多基因控制，呈现一维、连续的表达状态，且容易受环境影响，一般认为当申请品种和近似品种在两个以上数量性状上有区别且仅在数量性状上有区别时，可判定申请品种具备特异性［9］。因此，不同于常规表型性状，DUS 测试性状在品种区分判定上具有特殊要求，随着实质性派生品种制度的建立，该要求愈发突出。【前人研究进展】国内外开展了大量玉米表型性状的研究，在水稻［10］、大豆［11］、黄瓜［12］、辣椒等［13-14］作物多样性研究上也有大量报道。谭禾平等［15］以国内18 个省市收集的115 个糯玉米品种为研究材料，测试了9 个农艺性状，对其进行相关分析和多样性分析，结果表明，有10 对农艺性状间存在极显著相关关系，6对存在显著相关关系。陈海荣等［16］利用DUS 测试指南中的36 个性状对53 份玉米标准品种进行形态性状多样性分析，结果检测到193个等位变异，平均每个性状检测到5.3611 个，有效等位变异平均为3.5756 个，平均Shannon-Weaver 多样性指数为1.3094。卢柏山等［17］利用DUS 测试中的47 个性状对15 份普通玉米自交系和13 份糯玉米骨干自交系进行研究，47 个性状的Shannon-Weaver 多样性指数存在较大差异。刘玄等［18］以5 个玉米杂交组合在7 个试点的11 个性状为研究对象，对各个性状进行描述性统计、相关性分析以及频率分析，得出生育期与单穗粒重达到显著负相关水平，株高与穗位高达到极显著正相关水平，穗长与穗粗和单穗粒重均达极显著正相关，与秃尖达显著正相关，穗行数与百粒重达显著负相关，产量与株高和穗位高呈显著正相关结论。冯素芬等［19］对云南省2016—2020 年审定的18 个鲜食玉米品种进行生育期、产量、品质性状和抗病性等分析，认为参试品种的性状表现存在一定差异。【本研究切入点】已报道的相关研究大多围绕产量、品质相关的表型性状，围绕DUS 测试性状的研究主要使用测试指南标准品种［16］、自交系［17］和鲜食玉米［15,19］等材料，以杂交种为材料，围绕DUS 测试性状开展的研究较少，特别是DUS 测试性状在高原低纬地区玉米杂交种上应用的研究鲜有报道。【拟解决的关键问题】本研究以2020—2021 年进行玉米DUS 测试的云南育成的杂交种为材料，对38 个DUS 测试性状进行多样性分析和相关性分析。为评价当前DUS 测试性状在杂交种区分鉴定上的应用提供基础数据，为实质性派生品种制度在玉米DUS 测试上的落地实施提供前期基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2020 年和2021 年在农业农村部植物新品种DUS 测试（昆明）分中心完成测试的89 个玉米杂交种，均为云南地区育成的单交种，以编号V01～V89 代替品种名称，适宜在云南、贵州等西南高原低纬玉米种植区中海拔区域种植。根据种植区的具体海拔和气候条件，可春播或夏播，对栽培条件和管理措施无特殊要求。

1.2 试验方法

1.2.1 田间设计 2020 年4 月至2021 年11 月，在农业农村部植物新品种DUS 测试（昆明）分中心测试基地进行两个周期的田间测试。试验采用随机区组设计，单行种植，株距0.3 m，行距0.6 m，行长3.0 m，每个小区种4 行，种植密度为55 583株/hm2，设两个重复，田间管理与大田种植管理一致。

1.2.2 性状调查 性状调查方法、时期及每个性状表达状态的赋值方法严格按照玉米DUS 测试指南（GB/T 19557.24-2018）［20］要求进行，测试性状共38 个（表1），其中目测性状26 个（Tra.1～Tra.26），测量性状12 个（Tra.27～Tra.38）。

表1 38 个测试性状名称及编号Table 1 Names and numbers of 38 testing traits

1.3 数据分析

1.3.1 多样性分析 以Shannon-Weaver 多样性指数为指标，采用PopGen32 软件分析性状多样性［21］。Shannon-Weaver 多样性指数计算公式为：

式中，I为多样性指数，Pij为某个性状某个代码出现的概率，i为性状编号，j为性状表达水平代码。

1.3.2 相关性分析 利用SPSS19.0 软件，分别计算26 个目测性状和12 个测量性状之间的相关系数，分析其相关性。

1.3.3 品种聚类分析 利用NTSYSpc 2.10e 软件中的SM 法计算遗传相似系数，采用SAHN Clustering 和非加权组平均法（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean，UPGMA）进行聚类分析，绘制玉米品种遗传聚类系统树［22］。

2 结果与分析

2.1 玉米杂交种测试性状多样性分析

由表2 可知，38 个性状在89 个玉米杂交种中检测到191 个表达状态，平均每个性状检测到5.0263 个，变幅为2～8 个；平均有效表达状态为2.8217 个，变幅为1.0227～6.0697 个；38 个性状平均Shannon-Weaver 多样性指数为1.0669，变幅为0.0616～1.9069，可见不同性状的多样性表现差异较大。其中，叶片绿色程度（Tra.3）、叶片边缘花青甙显色（Tra.8）、茎秆“之”字形程度（Tra.17）、果穗形状（Tra.21）4 个性状在89 个玉米品种中均只出现2 种表达状态，有效表达状态数和Shannon-Weaver 多样性指数较低；雄穗花药花青甙显色强度（Tra.10）、雄穗颖尖花青甙显色强度（Tra.13）、雄穗侧枝弯曲程度（Tra.16）、茎秆支持根花青甙显色强度（Tra.18）在89 个玉米品种中均出现8 个表达状态，有效表达状态数和Shannon-Weaver 多样性指数较高。

表2 89 个玉米杂交种38 个测试性状的多样性分析Table 2 Diversity analysis of 38 testing traits in 89 maize hybrids

2.2 玉米杂交种测试性状相关性分析

由表3 可知，26 个目测性状中，多对性状间存在显著或极显著相关关系。其中，散粉期（Tra.4）与抽丝期（Tra.5）、雄穗颖片基部花青甙显色强度（Tra.12）与雄穗颖片中部花青甙显色强度（Tra.14）、雄穗颖尖花青甙显色强度（Tra.13）与雄穗颖片中部花青甙显色强度（Tra.14）、雄穗侧枝与主轴夹角（Tra.15）与雄穗侧枝弯曲程度（Tra.16）、籽粒顶端主要颜色（Tra.23）与籽粒背面主要颜色（Tra.24）这5 对性状之间存在极显著正相关，且相关系数均较高，分别为0.94、0.57、0.62、0.53、0.78。

由表4 可知，12 个测量性状中，雄穗最低位侧枝以上主轴长度（Tra.27）与雄穗最高位侧枝以上主轴长度（Tra.28）、雄穗最低位侧枝以上主轴长度（Tra.27）与雄穗侧枝长度（Tra.30）、雄穗最高位侧枝以上主轴长度（Tra.28）与雄穗侧枝长度（Tra.30）、雄穗最高位侧枝以上主轴长度（Tra.28）与叶片长度（Tra.31）、植株穗位高度（Tra.33）与植株高度（Tra.34）、植株穗位高度（Tra.33）与穗位高/ 株高比率（Tra.35）、果穗直径（Tra.37）与果穗穗行数（Tra.38）这7对性状之间存在极显著正相关，且相关系数均较高，分别为0.84、0.73、0.51、0.50、0.67、0.90、0.55。

表4 89 个玉米杂交种12 个测量性状间的相关性分析Table 4 Correlation analysis of 12 measured traits in 89 maize hybrids

2.3 玉米杂交种聚类分析

由图1 可知，品种间相似系数为0.24～0.53。其中，在相似系数0.296 位置，可以将89 个玉米品种划分为5大类群，分别包括1、1、2、81、4个品种，分别占调查品种1.1%、1.1%、2.2%、91.1%、4.5%，以第Ⅳ类群品种数量远远超过其他类群。

图1 89 个玉米杂交种的形态性状聚类结果Fig.1 Clustering results of morphological traits in 89 maize hybrids

3 讨论

3.1 品种间的性状多样性分析

与陈海荣等［16］利用DUS 测试指南36 个测试性状对53 份玉米标准品种进行性状多样性分析的结果相比，本研究基于89 个玉米杂交种的38个测试性状多样性相关指数略微低于标准品种的参数，89 个品种间的相似系数为0.24～0.53，最大相似系数较陈海荣等［16］和卢柏山等［17］的研究结果要低，不仅表明本研究使用的89 个杂交种多样性较好，品种间的差异大，还表明玉米DUS 测试指南性状在杂交种中多态性高，区分力强。本研究中，聚类划分的5 大类群中，第Ⅳ类群包含了81 个品种，表明第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ 4 个类群间及其与第Ⅳ类群间存在较远的亲缘关系，这4 个类群品种差异明显；第Ⅳ类群虽然包含81 个品种，但在该类群中最相近的两个品种间的相似系数也非常低（0.53），进一步表明89 个品种多样性较好，品种间差异大。徐晓美等［23］对96 份辣椒种质材料进行遗传多样性分析时发现辣椒来源丰富，但存在同质材料，建议在种质保存时可以适当舍弃部分同质材料。从本研究结果来看，该89 个玉米品种间遗传差异大，同质化不突出。

3.2 测试性状间的相关性分析

相关性分析结果显示，本研究38 个测试性状中有12 对性状间存在极显著正相关关系，表明这12 对性状在遗传上存在不同程度连锁关系。目测性状中有5 对性状间呈极显著正相关且相关系数较高，分别为0.94、0.57、0.62、0.53、0.78，与姚宗泽等［24］之前的研究结果一致；测量性状中有7 对性状间呈极显著正相关关系，相关系数分别为0.84、0.73、0.51、0.50、0.67、0.90、0.55，这与前人研究结果也相吻合［16-17］。其中，散粉期（Tra.4）与抽丝期（Tra.5）、植株穗位高度（Tra.33）与穗位高/株高比率（Tra.35）间的相关系数分别为0.94、0.90，均高于之前许多研究结果［16,18,24］。

3.3 相关性显著的性状在特异性及实质性判定中的应用

品种DUS 测试特异性判定时，如果测试品种和近似品种间的差异仅体现在数量性状上，通常要求品种间至少在两个以上数量性状上具有差异才判定为品种具备特异性［9］。因此，特异性判定时需充分考虑上述数量性状相关性。根据性状间的相关性分析，当两个性状间存在极显著正相关关系时，特异性判定标准应上调，这样可以使特异性判定结果更加客观、科学。此外，2022 年新修订《种子法》建立了实质性派生品种制度［7］。实质性派生品种和原始品种除派生过程产生的差异外，受原始品种的基因型或基因型组合控制的基本性状表达与原始品种相同。可见，性状间相关性也是判定实质性派生品种及其原始品种的重要考虑因素。

4 结论

本研究结果表明，38 个DUS 测试性状在玉米杂交种中的表达状态丰富、多态性好，89 个杂交玉米品种间的相似系数较低，品种多样性较好，品种间差异大，同质化程度不突出。本研究的38个测试性状中有12 对性状间存在极显著正相关关系，表明这12 对性状在遗传上存在不同程度连锁关系，后期研究可以进一步深入挖掘和探索它们之间的连锁效应。在当前的品种DUS 测试特异性判定和未来落实实质性派生品种制度上，厘清测试性状间的相关性程度尤其重要。当两个性状间存在极显著正相关时，特异性判定标准应上调，权重适当降低，这样可以使特异性判定结果更加客观、科学。同时，也为实质性派生品种判定标准的设定提供前期数据。