基于DUS測試的玉米標準品種在貴州地區(qū)的表達差異及多樣性分析

李 娟， 孔德章， 焦愛霞， 周歡歡， 莫遠琪，韋啟迪， 張麗娜， 霍可以

(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試(貴陽)分中心， 貴陽 550006；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所， 貴陽 550006)

植物的特異性(Distinctness)、一致性(Uniformity)、穩(wěn)定性(Stability)測試簡稱為DUS測試[1]。DUS三性是植物品種的基本屬性。長期以來，DUS測試是植物品種權(quán)授權(quán)[2]的重要依據(jù)，2016年《中華人民共和國種子法》頒布實施以后，DUS測試已成為主要農(nóng)作物審定、非主要農(nóng)作物登記、植物新品種認定以及植物品種維權(quán)執(zhí)法等的必要程序和重要手段。

標準品種是植物品種DUS測試過程中用于性狀表達狀態(tài)判定的參照品種[3],標準品種性狀表達的準確性及對不同測試環(huán)境的適應(yīng)性與測試結(jié)果的準確性、客觀性有直接關(guān)系。玉米是重要的糧食、飼料及燃料原料，玉米對于人類的生產(chǎn)生活意義重大。玉米DUS測試為玉米品種授權(quán)與審定、品種權(quán)維權(quán)執(zhí)法提供依據(jù)。我國玉米種植區(qū)域較多，生態(tài)類型豐富多樣，為鑒定玉米標準品種的適應(yīng)性與表達狀態(tài)的穩(wěn)定性，部分研究者已在云南、黑龍江、廣東、內(nèi)蒙古等地進行了玉米標準品種表達差異與形態(tài)多樣性分析[4-7]，但目前尚未見針對貴州地區(qū)玉米標準品種表達差異與多樣性研究的相關(guān)報道。基于此，本研究通過對貴州2018—2019年連續(xù)2年玉米的DUS測試中所種植的標準品種進行觀測、性狀描述及數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用符合系數(shù)法對各標準品種、各性狀在貴州的實際表現(xiàn)與其在《農(nóng)業(yè)植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 玉米》[8](2018版)中對應(yīng)的表達狀態(tài)與分級差異進行比較，從而評價標準品種在貴州地區(qū)的適應(yīng)性與性狀表達的準確性，分析其形態(tài)多樣性，以期為貴州地區(qū)的玉米DUS測試性狀的判定與代碼分級提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部科技發(fā)展中心植物新品種測試中心提供，為《農(nóng)業(yè)植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 玉米》(2018版)中的標準品種(表1)。

表1 供試材料

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018—2019年在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物新品種測試貴陽分中心實驗基地內(nèi)進行。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)2次重復(fù)，4行區(qū)，行距70 cm，行長2.5 m，株距25 cm，小區(qū)面積10 m2。分別于當年5月18日播種，田間管理同大田生產(chǎn)。

1.3 性狀調(diào)查

本研究調(diào)查的性狀為玉米DUS測試指南(2018版)中列出的必測性狀(表2)。其中，性狀35～38僅適用于甜玉米測試，性狀44僅適用于爆裂玉米的測試，故不進行調(diào)查與統(tǒng)計分析。根據(jù)測試指南規(guī)定的觀測時期與觀測方法開展性狀觀測，其中個體測量(MS)性狀每小區(qū)隨機選取20株植株進行數(shù)據(jù)測量。

表2 測試性狀與類型

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1符合系數(shù)分析

根據(jù)標準品種的實際表達狀態(tài)與《測試指南》中代碼的差異，計算標準品種的符合系數(shù)，并采用符合系數(shù)分析評價標準品種在貴州地區(qū)的表達狀態(tài)的準確性。某品種(或性狀)的符合系數(shù)=1-∑[某標準品種(或性狀)的指南代碼-其實測代碼]2/(其指南代碼平均×100)[4]。

1.4.2多樣性分析

所有性狀均按照玉米DUS測試指南(2018版)中列出的表達狀態(tài)分為不同級別，數(shù)量性狀分級按照郝彩環(huán)等[9]的分級方法進行。每個品種在各性狀的表達狀態(tài)對應(yīng)的級別標記為1，其他未表達的級別標記為0，構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣。采用PopGen 32軟件分析39個性狀的等位變異數(shù)目(na)、有效等位變異數(shù)目(ne)及Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(H)。Shannon-Weaver多樣性指數(shù)的計算公式[10]為：H=-∑Piln(Pi),式中Pi為某個性狀第i個代碼出現(xiàn)的概率。

1.4.3聚類分析

通過多變量分析系統(tǒng)NTSYSpc 2.10[11]統(tǒng)計軟件中的SM法計算遺傳相似系數(shù)，然后根據(jù)相似系數(shù)按照UPMGA法進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米DUS測試標準品種表現(xiàn)差異性分析

由符合系數(shù)的計算公式可知，其值在0～1之間。符合系數(shù)越大，則實際表達狀態(tài)與測試指南中表征的值差異越小，數(shù)值為1表示實際觀測的值與測試指南中的值完全一致。如表3所示，36個標準品種中，符合系數(shù)在0.95以上的30個，占所有標準品種的83.3%。獲白、DH 14、C 8605-2、X 178、4 F 1等5個標準品種的符合系數(shù)為1，即與測試指南上表征的性狀表達完全相符，說明這5個品種所代表性狀的表達狀態(tài)比較穩(wěn)定，受環(huán)境的影響較小，在貴州地區(qū)可以繼續(xù)作為測試標準品種。有3個標準品種的符合系數(shù)在0.9以下，分別是黃C(0.81)、Mo 17(0.853)、黃早四(0.854)。Mo 17是育種家從美國引進的優(yōu)良自交系，是Lancaster群的代表系，于20世紀七八十年代在我國玉米育種中發(fā)揮了重要作用。至今為止，Mo 17仍然是玉米遺傳背景研究以及分子生物學(xué)研究的重要材料。Mo 17在玉米DUS測試指南中代表了24個必測性狀的不同表達狀態(tài)。黃早四作為我國優(yōu)異地方種質(zhì)創(chuàng)新的代表，是玉米育種中利用率最高的自交系。在玉米DUS測試指南中，黃早四代表了19個性狀的不同表達狀態(tài)，也是表征性狀最多的標準品種之一。3個標準品種符合系數(shù)在0.9～0.95之間，分別是丹玉13(0.923)、鐵7922(0.935)、掖單13(0.94)。

表3 玉米DUS測試標準品種的符合系數(shù)

2.2 玉米DUS測試性狀差異性分析

由表4可知，在貴州地區(qū)，測試指南性狀符合系數(shù)在0.95以上的性狀有30個，占測試性狀的76.9%。有4個性狀的符合系數(shù)為1，分別是性狀2(幼苗：第一葉鞘花青甙顯色強度)、性狀8(葉片：邊緣花青甙顯色)、性狀15(雄穗：側(cè)枝與主軸夾角)、性狀34(果穗：籽粒顏色數(shù)量)，說明這些性狀在不同地點間其標準品種的表達均較穩(wěn)定。有兩個性狀的符合系數(shù)在0.9以下，分別是性狀17(雄穗：最低位側(cè)枝以上主軸長度)與性狀18(雄穗：最高位側(cè)枝以上主軸長度)，均為雄穗性狀。有7個性狀的符合系數(shù)在0.95以下，依次為性狀6(植株：上部葉片與莖稈夾角)、性狀24(葉片寬度)、性狀26(植株：穗位高度)、性狀27(植株：高度)、性狀28(植株：穗位高與株高比率)、性狀30(果穗：長度)、性狀31(果穗：直徑)。質(zhì)量性狀的平均符合系數(shù)為1；假質(zhì)量性狀的平均符合系數(shù)為0.982；數(shù)量性狀的平均符合系數(shù)為0.967。符合系數(shù)低于0.95的性狀，全部為數(shù)量性狀，可見這些數(shù)量性狀在不同的生態(tài)環(huán)境下變化較大。

表4 玉米DUS測試性狀的符合系數(shù)

2.3 玉米標準品種的形態(tài)性狀多樣性分析

本研究基于39個DUS測試性狀對36份玉米標準品種的形態(tài)多樣性進行統(tǒng)計，分析各性狀的等位變異數(shù)目、有效等位變異數(shù)目及Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，結(jié)果如表5所示。39個測試性狀在36份標準品種中共檢測到199個等位變異，變異幅度介于1～9之間，平均每個性狀為5.103個；其有效等位變異數(shù)變幅介于1～6.694之間，平均為3.282；39個測試性狀的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)變幅介于0～2.008之間，平均為1.234。

表5 36份玉米標準品種39個形態(tài)性狀的多樣性統(tǒng)計

等位變異數(shù)目在7以上的性狀有8個，分別是性狀2(幼苗：第一葉鞘花青甙顯色強度)、性狀6(植株：上部葉片與莖稈夾角)、性狀9(雌穗：花絲花青甙顯色強度)、性狀10(雄穗：花藥花青甙顯色強度)、性狀13(雄穗：穎尖花青甙顯色強度)、性狀14(雄穗：穎片中部花青甙顯色強度)、性狀22(莖稈：支持根花青甙顯色強度)及性狀30(果穗：長度)，其中，性狀9(雌穗：花絲花青甙顯色強度)與性狀13(雄穗：穎尖花青甙顯色強度)、性狀22(莖稈：支持根花青甙顯色強度)的等位變異數(shù)及多樣性均較高。性狀34(果穗：籽粒顏色數(shù)量)等位變異數(shù)及有效等位變異數(shù)均為1，Shannon-Weaver多樣性指數(shù)為0，說明該性狀在36個玉米標準品種間沒有多樣性。

2.4 聚類分析

對36份玉米標準品種進行聚類(UPGMA法)分析(圖1)。結(jié)果顯示，通過玉米DUS測試的39個測試性狀對36份標準品種進行描述，其形態(tài)相似系數(shù)在0.64～0.84之間。當相似系數(shù)為0.76時，標準品種劃分為12個類群；相似系數(shù)為0.78時，可將標準品種劃分為20個類群；相似系數(shù)為0.81時，36份標準品種劃分為31個類群，其中，P 138與齊319、8902與齊318、掖478、黃早四的相似系數(shù)均較高，被劃分到同一類群。

圖1 基于DUS測試性狀的36份玉米標準品種聚類分析

3 結(jié)論與討論

標準品種獲白、C 8605-2的符合系數(shù)為1，這與張建華等[4]、解艷華[5]、徐振江等[6]的研究結(jié)果一致，說明這些標準品種在我國復(fù)雜多樣的生態(tài)條件下仍然有很好的適應(yīng)性與表達狀態(tài)的穩(wěn)定性。黃C在前人的研究中符合系數(shù)均較高[4-6]，而在貴州地區(qū)符合系數(shù)較低，可能是由于黃C代表兩個數(shù)量性狀(性狀17.雄穗：最低位側(cè)枝到主軸長度與性狀18.雄穗：最高位側(cè)枝到主軸長度)的實測代碼是基于貴州地區(qū)所有參與測試品種的雄穗性狀分級而得出的，2018—2019年貴州地區(qū)進行DUS測試的玉米品種大多數(shù)為雜交種，雄穗發(fā)育較好，造成測試指南中黃C所代表的性狀17與性狀18的表達狀態(tài)與在貴州地區(qū)的實際分級代碼差異較大，導(dǎo)致符合系數(shù)較低。基于此，在貴州地區(qū)不建議將黃C再作為玉米DUS標準品種使用。Mo 17與黃早四雖符合系數(shù)相對較低，但因其表征的性狀較多，且分別為美國Lancaster雜種優(yōu)勢群與我國地方種質(zhì)資源的代表系，建議保留其作為貴州地區(qū)玉米DUS標準品種。在各性狀的符合系數(shù)中，質(zhì)量性狀>假質(zhì)量性狀>數(shù)量性狀，說明相對數(shù)量性狀來說，質(zhì)量性狀與假質(zhì)量性狀受環(huán)境影響較小。性狀17(雄穗：最低位側(cè)枝以上主軸長度)與性狀18(雄穗：最高位側(cè)枝以上主軸長度)的符合系數(shù)在39個測試性狀中較低，此結(jié)果與Liu等[12]關(guān)于雄穗性狀具有高度的可塑性變異的研究結(jié)果相符。

39個測試性狀在36份標準品種中檢測到199個等位變異，變異幅度介于1～9之間，平均每個性狀為5.103個；其有效等位變異數(shù)變幅介于1～6.694之間，平均為3.282；39個測試性狀的Shannon-Weaver多樣性指數(shù)變幅介于0～2.008之間，平均為1.234。此結(jié)果高于盧柏山等[13]在北京利用28份自交系與姚宗澤等[14]在昆明利用45個玉米雜交種進行的形態(tài)多樣性研究，低于陳海榮等[15]在上海開展53個玉米標準品種研究的結(jié)論，這可能由于本研究采用玉米DUS測試指南(2018版)列出的標準品種進行分析，實驗材料較之前的測試指南版本減少的緣故。36份標準品種的形態(tài)相似系數(shù)在0.64～0.84之間，與陳海榮等[15]研究結(jié)果相比，實驗材料間的相似性稍小，來源廣泛，具有研究價值。根據(jù)聚類結(jié)果，可將測試性狀表達相似系數(shù)較高的品種做適當?shù)恼{(diào)減。當相似系數(shù)為0.81時，可將玉米DUS測試標準品種調(diào)減為31個。

本研究基于玉米DUS測試性狀，對36份玉米標準品種在貴州地區(qū)的表達差異性與形態(tài)多樣性進行分析，結(jié)果既展示了玉米DUS測試標準品種性狀表達的準確性，又體現(xiàn)了標準品種的形態(tài)多樣程度，綜合評價玉米DUS測試標準品種在貴州的適用性與準確性，為貴州地區(qū)科學(xué)、公正、可靠地開展玉米DUS測試奠定理論依據(jù)。