基于GGE雙標圖對苜蓿品種豐產性和穩定性綜合評價

陳彩錦，張尚沛，師尚禮，曾燕霞，吳 娟，尚繼紅，高 婷，張 蓉

(1.甘肅農業大學草業學院，甘肅 蘭州 730070；2.寧夏農林科學院固原分院，寧夏 固原 756000；3.寧夏農林科學院動物科學研究所，寧夏 銀川 756002；4.寧夏農林科學院植物保護研究所，寧夏 銀川 756002)

紫花苜蓿(MedicagosativaL.，以下簡稱苜蓿)營養價值高、適口性好，具有“牧草之王”的美譽[1]，在世界范圍內作為栽培作物或飼草廣泛種植。近幾年，隨著草食畜牧業的快速發展，寧夏南部山區(以下簡稱寧南山區)優質苜蓿的需求量逐年攀升，種植面積也在大范圍擴增。尤其在“十三五”農業產業發展及草畜產業成為自治區主導產業之后，寧南山區由于獨特的生境成為寧夏苜蓿產業發展的主戰場[2]。但是，苜蓿生產在該區域長期以來存在品種退化、混雜、產量低、抗逆性及品質差等突出問題[3]。因此，要實現苜蓿的豐產及穩產，使其在畜牧業中充分發揮作用，首先必須選育或篩選出適宜不同區域的品種[4]。而牧草新品種選育或篩選需要對品種開展區域試驗與分析，使得該品種在最適宜的區域獲得高產和穩產，以提高牧草的綜合生產力[5]。品種區域試驗分析的中心任務是正確把握品種與環境互作的模式[6]，GGE雙標圖(GGE biplot)是分析多因素相互作用的一種方法，常用于分析基因與環境互作關系、不同處理條件下各指標間的關系等[7]。它以圖解的方式，借助輔助線有效反映出何品種在何種環境下表現最好，有利于清晰鑒別出高產、穩產的品種及有效分辨力的環境[8]。GGE雙標圖在作物上應用較多，其中柴繼寬[4]、李四龍[8]、王磊[9]、尚毅[10]、王曉斌[11]、張海娟[12]、嚴威凱[13]、許乃銀[14]、張勇[15]等人利用GGE雙標圖分別對燕麥(AvenasativaL.)、花生(ArachishypogaeaLinn.)、水稻(OryzasativaL.)、甘藍型油菜(BrassicanapusL.)、馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)、大麥(HordeumvulgareL.)、大豆(Glycinemax(Linn.)Merr.)、棉花(Gossypiumspp)、小麥(TriticumaestivumL.)等作物的品種、種質資源、雜交組合等開展了分析研究，確定出了具有適應性、豐產性、穩定性的品種、資源、雜交材料及經濟效益最高的種植密度，篩選出了具有代表性、鑒別力的區域等。GGE雙標圖在牧草方面應用主要集中在青貯玉米、飼用小黑麥等方面，其中廖正巧[16]利用GGE雙標圖分析了青貯玉米19份材料穩定性和豐產性，綜合篩選出了3份高產、穩產的品種；劉晶等人[17]利用GGE雙標圖研究了4個小黑麥品種基因型與環境互作效應的穩定性，篩選出了草產量最高、穩定、營養品質最優的小黑麥新品系及其適宜種植的區域。總之，基因型主效應(G)加基因型與環境互作(G×E)效應的GGE雙標圖模型與變異系數法、適定性參數法、回歸分析法、高穩系數法、加性主效應乘積交互作用(additive main effects and multiplicative interaction，AMMI)模型相比較，不僅在分析基因型與環境互作(G×E)方面具有分析結果精確的優點，而且能鑒定篩選出高產、穩產、適應性廣的理想品種，并對試點辨別力和代表性進行篩選，對品種合理布局做出評價[18-19]。因此，本研究應用此方法對引進的6個紫花苜蓿品種在寧南山區3個不同區域的適應性、穩定性，以及試點的代表性、區分力進行分析研究，以期篩選出性狀優良、適應性強、穩定性和豐產性高的品種及品種區域試驗的理想環境[8]，為區域苜蓿種植提供技術依據及數據參考，也為當地的草牧業發展提供品種基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本概況

試驗地位于寧夏固原市原州區頭營鎮徐河村，原州區彭堡鎮彭堡三隊，以及寧夏固原市隆德縣觀莊鄉前莊村寧夏農林科學院試驗基地，3個不同地區具體地理環境狀況如表1所示。

表1 試驗地地理環境狀況

1.2 試驗設計

本試驗采用隨機區組設計，留苗密度60 萬株·hm-2，試驗6個品種，每個品種設置3次重復，共18個小區，小區面積15 m2，小區行長5 m，每個小區13行，行間距25 cm，區間距80 cm，重復間距100 cm，小區四周設有保護行，人工開溝拉線條播。2015年進行試驗的建植及養護管理，其中E1，E2，E3試驗點土壤基礎理化性質分別為：E1土壤類型為黃綿土，有機質10.95 g·kg-1，全鹽含量為1.24 g·kg-1，速效氮含量為50.10 mg·kg-1，速效磷含量為10.27 mg·kg-1，速效鉀含量為243.17 mg·kg-1，耕作層pH 7.00，前茬為蕎麥；E2土壤類型為黑壚土，有機質含量為40.60 g·kg-1，全鹽含量為0.69 g·kg-1，速效氮含量為98.00 mg·kg-1，速效磷含量為52.20 mg·kg-1，速效鉀含量為265.00 mg·kg-1，耕作層pH 7.80，前茬為冬小麥；E3土壤類型為淺黑壚土，有機質含量為42.10 g·kg-1，全鹽含量為0.44 g·kg-1，速效氮含量為104.60 mg·kg-1，速效磷含量為73.00 mg·kg-1，速效鉀含量為318.06 mg·kg-1，耕作層pH 7.80，前茬為馬鈴薯。試驗地土壤肥力和施肥水平等同于大田生產，且肥力均勻。播前秋季翻耕1次，翻深20～30 cm，第二年春季解凍后旋耕耙耱各1次，基施磷酸二銨225 kg·hm-2之后播種，在整個試驗期間，均無灌溉，但由于出苗期間降雨導致板結，人工破板1次，并對試驗的斷行進行補苗1次，其余管理也等同于大田生產。2016—2017年進行相關產量指標測定，測定方法：每個品種3次重復，每重復選3個樣方，共9個樣方，樣方在初花期刈割前選擇1 m2進行刈割，留茬高度0.06～0.08 m，稱鮮重，然后自然風干并稱干重。

1.3 參試品種

參試品種共6個，品種具體名稱、代碼及來源見表2。

表2 苜蓿品種及來源

1.4 數據統計與分析

本試驗的相關數據的初步處理采用Excel軟件；采用GGE雙標圖對各品種和環境的最佳適應區域，品種的豐產性、穩定性，以及試點的代表性及區分力進行分析；聯合方差分析采用DPS 16.5高級版統計分析軟件進行統計分析。

1.5 分析方法

GGE雙標圖最初由Gabriel提出，它有2部分構成，分別為雙標圖和GGE[20-22]，是利用雙標圖表示基因(G)與基因環境互作(G×E)兩個因素之間的關系(G+GE)，雙標圖屬于一種2維矩陣圖，通過對含有品種環境的2維矩陣進行特征值分解(singular value decomposition,SVD)，將一個含有品種環境的區域試驗數據集進行主成分分析，其中解釋變異最多的主成分叫第一主成分(PC1)，解釋變異處于第二位的叫第二主成分(PC2)[23]。

其中在不同區域試驗中，產量一般由以下幾個組分組成：

Yge=μ+αg+βe+φge+εge

其中μ為總體平均值，αg為基因型主效應，βe為環境主效應，φge為基因型與環境互作效應，εge為總體誤差，Yge是基因型g在環境e中的性狀值[4]。假定地點都同等重要，則Yge減去各試點均值，就剩基因型主效αg和基因型與環境互作效應φge，合稱GGE[4]。GGE雙標圖不僅在同一個生態區域內，同時顯示各試驗環境對品種的區分力和對目標環境的代表性，顯示各個品種的高產穩定性，還在品種區域試驗中可以把環境直觀劃分為若干品種生態區，并揭示各生態區內最適應的品種[21]。

2 結果與分析

2.1 產量表現

由表3可知，在3個不同的試驗區，2016—2017年2年度苜蓿品種產量平均值最高的試驗區是E2，為14 816.7 kg·hm-2，E3試驗區最低，為10 314.0 kg·hm-2，且前者比后者高43.7%；在參試品種中，2年度平均產量最高的品種是‘甘農7號’，最低的品種是‘阿爾岡金’，前者比后者高44.9%。

表3 寧南山區2016—2017年苜蓿品種產量平均值

2.2 各品種的變異特性

對表4不同試驗區苜蓿品種產量結果聯合方差分析可知：基因型與環境互作(G×E)、環境(E)、基因型(G)內部之間均存在顯著的差異(P<0.05)，且產量引起的基因(G)變異、環境(E)變異、基因型與環境互作(G×E)變異的平方和分別占總處理的平方和的12.3%，16.3%，19.4%，其中基因型與環境互作(G×E)變異是3種變異中最主要的變異。這表明，基因型與環境互作(G×E)、環境(E)、基因型(G)對苜蓿品種產量影響顯著，其中的基因型與環境(G×E)互作是引起苜蓿各品種產量之間差異的最主要原因，環境(E)因素次之，基因型(G)因素最小。

表4 品種試驗方差分析

2.3 各品種與環境的最佳適應區域

GGE雙標圖是把一些“角頂”品種的標志點用直線連接起來形成一個多邊形，把其他品種都囊括在內，從原點起作各邊的垂線，把整個疊圖分為若干扇形區域。每個試驗地點自然落于某個區內，每個區內的“角頂”品種就是這個區內在每一試驗地點上表現最好的品種，位于多邊形內部，靠近原點的品種是接近平均產量且對環境變化不敏感的品種。如圖1所示，GGE雙標圖被劃分為3個區，設以E1，E2試點落于的扇形區為第1區，順時針旋轉依次為第2區、第3區。E1，E2落于第1扇形區，其中產量最高的是G3，表現最好，E3落于第一扇形和第二扇形的交界處，且在第二扇形區產量最高、表現最好的品種是G2，G5品種沒有地點可以落到，說明此品種在所有試驗地點表現均不是最好的。由于以上3個試驗地點在2個扇形區，且其中1個試驗地點落在2個生態區域的交接處，另外2個落于1個生態區，由此可以將生態區劃分為2個，以E1，E2為代表的1個，以E3為代表的1個。品種的產量可能跟環境溫度、降雨量等存在一定的相關性。因此，G3品種可能耐旱性較好，在寧南半干旱區產量表現較好，G2品種可能抗寒性強，返青早，從而在寧南半陰濕冷涼地區產量表現較好。

圖1 GGE雙標圖對苜蓿品種的適應性分析

2.4 品種的豐產性與穩定性

在特定品種生態區內，理想的品種既是高產的又是穩產的。在GGE雙標圖中，X軸(第一主成分得分-PC1)代表了品種的平均產量，Y軸(第二主成分得分-PC2)代表了品種的穩定性(即偏離平均產量的傾向)，此值越接近于0，穩定性越好[6]。如圖2所示，參試苜蓿品種平均產量效應為91.5%，品種的穩定性(PC2)效應為7.7%，且這兩個效應綜合了大部分的變異信息(99.2%)。因此，根據此結果推斷以上的分析具有一定的可靠性。圖中圓圈代表的是平均環境，經過原點和平均環境的這條帶箭頭的直線為平均環境軸(AEC)，在平均環境軸上沿著箭頭的方向產量逐漸增高。且在AEC縱軸左邊的品種產量低于平均值，在縱軸右邊的品種產量高于平均值。因此產量從高到低依次是G3>G6>G4>G1>G2>G5，且G3，G6，G4產量高于平均值。AEC縱軸代表了品種的穩定性，AEC橫軸上垂線的長短顯示品種穩定性的大小[22]。圖2顯示，穩定性最好的品種是G5，G4，G6，但G5品種產量低于平均值，是穩定低產的品種，因而是表現最差品種；G3品種產量最高，但不穩定，屬于高產不穩定品種。因此綜合高產及穩定性，表現最好的是G4，G6品種。

圖2 GGE雙標圖對苜蓿品種的穩定性和豐產性分析

2.5 區分力與代表性

理想的試驗環境應當具備對目標生態區的代表性和參試品種較強區分力。反映在圖示中，理想的試點應具有較大的第一主成分值和接近于0的第二主成分值，這樣的試點能有效鑒別出高產且穩定的品種[24]。圖3中的小圓圈代表的是“平均環境”，它的位置取決于各試驗環境坐標的平均值，代表目標環境，帶箭頭且通過原點和平均環境的稱為平均環境向量或平均環境軸(AEA)，各試驗點向量的長度是區分能力的度量，向量越長，對品種的區分力越強。試驗點向量與平均環境向量的角度是其對目標環境的代表性的度量，角度越小代表性越強，角度越大代表性越弱[21]，如果兩個之間的夾角為鈍角，則這個地方不適合作為試驗點，為此，平均環境軸箭頭所指方向是對試驗點區分力和代表性的綜合評價。在圖3中，3個試驗地點與平均環境軸之間的夾角都明顯小于90°，其中E2

圖3 用GGE雙標圖分析苜蓿各品種的代表性和區分力

3 討論

產量是飼草作物生產潛力評價最有效的方法和飼草生產中的重要指標[25]。在本研究中，2年度苜蓿平均產量最高的地點是E2，比E1，E3地點高12.5%，30.38%，最高的品種是‘甘農7號’，比產量最低品種‘阿爾岡金’高31.0%。以上不同品種在不同區域內的產量表現存在一定的差異，主要是因為品種與環境之間存在著一個適應性問題，不同的品種控制其產量的基因不同，外界因素的影響在不同的試點有選擇的進行表達，這與前人的研究結果相符[26]。同一個品種在不同區域的表現也存在差異，在本研究中，同一品種在3個試點產量最大相差21.6%～51.0%，這表明一個品種產量表現除自身的基因(G)決定之外，環境(E)、基因型與環境的交互作用(G×E)也起關鍵作用。本研究中基因型(G)、環境(E)、基因型與環境的交互作用(G×E)對產量的影響均表現為顯著，且基因型與環境的交互作用(G×E)影響最大，這與孫萬斌等人[27]的研究結果相符。因此，在種植品種的選擇中，需根據品種的特性因地制宜選擇具體的環境，只有將品種與環境耦合起來，才能最大限度的發揮地域優勢及品種的生產潛力。

精確的試點對于品種評價至關重要。一個合適的試點決定了一個品種的適應性、推廣價值和利用價值。本研究中利用GGE雙標圖模型將3個試點劃分為2個不同的生態區域，其中E1，E2為1個，E3為1個。這與當前的具體實際環境存在一致性，其中E1，E2位于寧南半干旱區域，E3位于寧南半陰濕冷涼區域。E1，E2試點同一品種的產量也存在較大的差異，這可能是因為以上2個區域降雨量雖然相同，但其余氣候因子、土壤因子及生物因子等還存在差異，或者是因為同一品種受2個地區相同環境的影響程度不同，從而產量存在較大差異，以上可能原因還有待于進一步研究確定。試點的選擇既要考慮對各產區環境的代表性，也要考慮對品種差異的區分能力[4]。利用GGE雙標圖對本研究中3個試點的代表性和區分力進行分析可知，E2的代表性最好，但區分力最差，E1的代表性處于3個試點的第2位，但區分力最好，E3代表性最差，但區分力處于3個試點的第2位。E2試點因對品種沒有區分力，此試點作用不大，可以淘汰，E3有一定的區分能力但代表性不強，可以用于淘汰G3等不穩定品種，但不能用于優良品種的選擇，因此3個試點中最理想的試點是E1。以上試點出現代表性很好，但對品種沒有區分力的原因可能是包括環境因素在內其它因素引起的，因此對于品種對試點的適應需進行多年多點試驗研究。

豐產性和穩定性也是決定一個品種是否有推廣利用價值的重要指標。在本研究中，利用GGE雙標圖模型，篩選出了飼草高產和穩產的品種G4和G6，也篩選出了在E1試點高產的品種G3，同時也得到了一個結果，豐產性和穩定性之間存在一定差異，本研究中最穩定的品種G5產量最低，是穩定低產的品種。因此，在寧南山區大范圍推廣應用的品種首選G4和G6。但在局部半干旱區域，G3品種也是一個很好的選擇。總之，為使品種的區域布局合理化，發揮增產潛力，應對品種最佳適應區域進行分析[28]。

以上僅為苜蓿品種建植后2年的數據，結果在當地具有一定的參考價值，但需進一步試驗驗證。同時品種的適應性還需綜合分析品種生育期、農藝性狀、抗逆性、抗病性等方面，環境因素還需分析各試驗點土壤理化性質等方面，這些研究將在后續進一步開展。

4 結論

本研究結果表明，基因型(G)、環境(E)、基因型與環境互作(G×E)3者引起的變異對苜蓿各品種產量的影響顯著，但基因與環境互作效應是引起變異的最主要原因。同時利用GGE雙標圖模型分析可知，在寧南山區高產穩產的苜蓿品種是‘三得利’和‘苜蓿王’；試點頭營鎮徐河村和彭堡鎮彭堡三隊生態區相似，與觀莊鄉前莊村不同，最理想試點為頭營鎮徐河村。