基于GGE雙標圖的谷子種質資源耐旱性鑒定

肖繼兵，劉 志，辛宗緒，陳國秋，吳宏生

(遼寧省旱地農林研究所，遼寧 朝陽 122000)

干旱是世界性的問題，是限制全球生產的最重要的非生物因素之一[1]。干旱對世界植物的影響在各種自然災害中占首位，其危害相當于其他自然災害的總和[2-3]，嚴重影響植物正常生長發育，制約了作物的產量[4]。中國旱地面積占全國總土地面積的52.5%，每年干旱損失的糧食達1億t以上[5-6]。谷子(Setariaitalica(L.)Beauv)屬于禾本科植物黍亞科(Panicoideae)黍族(Paniceae)狗尾草屬(Setaria)。中國谷子種植面積占世界總面積的80%，在旱作農業生產和滿足食物多元化消費中占有重要地位[7]，同時谷子也是禾本科作物功能基因組分析和耐旱研究的新型模式作物[8]。谷子雖然耐旱性較強，但干旱仍然是影響谷子產量和品質的主要因素之一[9]。因此，谷子耐旱育種過程中，在利用谷子耐旱種質資源之前，有必要對其耐旱性進行鑒定。

國內外學者針對作物品種的耐旱性提出了多種鑒定方法[10-14]，并從形態[15-16]和生理生化[17-18]指標及相關抗旱基因和蛋白[19-20]等方面進行了研究。目前，谷子耐旱性鑒定的研究主要集中在谷子的萌芽期、苗期和全生育期，依據相關形態指標、生理生化指標和產量指標等，通過主成分分析、隸屬函數分析、聚類分析和逐步回歸分析等相結合的多元統計分析對種質資源的耐旱性進行綜合評價和指標篩選[21-23]，而指標性狀的耐旱系數和耐旱指數在評價體系中應用較為廣泛[24-27]。谷子苗期是目前谷子種質資源耐旱性鑒定采用的主要方法[28-29]。張文英等[24]和劉婧等[25]研究認為，根冠比、單穗粒質量、株高和穗長可作為谷子全生育期耐旱性鑒定的指標，并用株高和穗長耐旱系數和產量耐旱指數對谷子品種耐旱性進行了評價，全生育期耐旱性鑒定結果相對更為可靠[25]。然而，任何評價方法都是對作物耐旱性實際結果的估計，不能代表真正的耐旱能力。迄今為止，國內外對耐旱性鑒定指標和評價方法均沒有準確可靠的統一規定。目前普遍認為，多指標多方法相結合的耐旱性綜合評價相對更加真實、可靠[30]，可以較好地揭示指標性狀與耐旱性的關系。“GGE(基因型和基因與環境互作效應)雙標圖”由Yan等[31]首次提出，是一種新的分析多因素互作最高效直觀的統計和圖形展示工具。此法借助輔助線以圖解的方式獲得品種、鑒定指標或者評價方法間的相互關系，準確直觀地反映出何種品種在何種環境下表現最佳，哪種指標為適宜的鑒定指標或評價方法。GGE雙標圖已廣泛用于作物產量及穩定性分析[32-33]、作物品種生態區劃分[34-35]與理想環境鑒別[36-37]、種質資源的篩選與評價[38-39]等方面。在GGE雙標圖基礎上，又衍生出了GT(基因型-性狀)雙標圖[40]，GT雙標圖是GGE雙標圖技術利用性狀數據研究基因型的一種很好的工具[31]。隨著GGE雙標圖的廣泛使用，GGE雙標圖在作物耐旱性評價方面的研究也不斷深入。楊進文等[41]利用GGE雙標圖綜合分析了小麥品種耐旱性及不同品種耐旱性合理的性狀判定指標，彭遠英等[42]通過GGE雙標圖比較了燕麥屬不同倍性種質資源各性狀之間的關系及其對耐旱鑒定的貢獻，孫小妹等[43]利用GGE雙標圖選擇適宜的耐旱性評價方法。

谷子是遼西地區的主要雜糧作物之一，谷子耐旱性鑒定和指標篩選多在萌芽期和苗期進行，全生育期耐旱性鑒定的研究相對較少，而利用GGE雙標圖對谷子全生育期進行耐旱性鑒定的研究尚屬首次。本研究通過考量相關農藝性狀和產量指標的耐旱系數，以建立谷子種質全生育期耐旱性評價的可靠方法和鑒定指標，明確GGE雙標圖分析系統在谷子耐旱性評價和指標篩選上的應用效果，為谷子耐旱性鑒定研究提供一種新方法。

1 材料和方法

1.1 試驗區概況

試驗于2019—2020年在遼寧省旱地農林研究所示范基地進行。該區地處北緯40°35′～42°20′，東經118°50′～121°20′，屬北溫帶大陸性季風氣候，四季分明，晝夜溫差大，年平均氣溫7.15 ℃，年平均日照時數2 800 h，10 ℃以上積溫平均為3 220 ℃，無霜期150 d左右，年平均降水量為438.9 mm，季節分布不均，70%～74%的降水集中在6—8月，以雨養農業為主，一年一熟。供試土壤為沙壤質褐土，有機質11.05 g/kg、全氮0.77 g/kg、堿解氮54.0 mg/kg、有效磷12.15 mg/kg、速效鉀128.0 mg/kg，pH值7.6，田間持水量19.5%。2019，2020年谷子生育期降水量分別為341，382 mm。

1.2 試驗材料

供試谷子材料包括遼寧省旱地農林研究所的9368(G1)、朝谷1001(G2)、朝谷12號(G3)、朝谷13號(G4)、朝谷14號(G5)、朝谷1459(G6)、朝谷15號(G7)、朝谷181(G8)、朝谷19號(G9)、朝谷20號(G10)、朝谷58號(G11)、朝谷59號(G12)、朝谷60號(G13)、朝谷62號(G14)、燕谷16號(G27)、燕谷18號(G28)，赤峰市農牧科學研究院的赤谷205-24(G15)、赤谷25(G16)、峰優5號(G17)，吉林省農業科學院的公谷84(G18)，山東省農業科學院的濟白米1號(G19)，河北省農林科學院的冀谷43號(G20)、九谷31(G24)，通遼市農業科學院的金谷(G21)，山西省農業科學院的晉111(G22)、太選26號(G26)、長農35(G29)、長生15(G30)，吉林市農業科學院的九谷11號(G23)，黑龍江省農業科學院的嫩選18(G25)。

1.3 試驗設計

試驗設干旱脅迫 (DS)和對照 (CK)2種處理，每種處理30份谷子材料。采用隨機不完全區組設計(alpha-格子設計)，3次重復，小區面積1.5 m2(1.5 m×1.0 m)，每個品種播種3行，行長1.5 m，行距25 cm，株距6.8 cm。播種前每區施高氮長效緩釋復合肥(N 26%、P2O512%、K2O 12%)600 kg/hm2作基肥，整個生育期不再追肥。干旱處理在移動式耐旱棚的干旱池內進行，播種前和定苗(5—6葉期)后分別灌水至田間持水量的70%，之后不再灌水，進行干旱脅迫處理；對照處理(非水分脅迫)在移動式耐旱棚外鄰近地塊進行，生長期間以自然降水為主，若遇嚴重干旱，適當灌水，保證谷子正常生長。

1.4 測定項目與方法

農藝性狀的調查包括株高(PH)、倒二葉葉面積(LA)、主莖節數(SNN)、穗頸長(TNL)、莖葉干質量(SLDW)、穗長(SL)、單株穗質量(SWP)、穗粒數(KPS)、千粒質量(TGW)、單株粒質量(GWP)和小區產量(Y)，成熟后每小區中間行取樣10株，參照谷子種質資源描述規范和數據標準進行，2個年度平均值作為供試性狀測定值，土壤含水量采用烘干法測定。

1.5 數據分析

①

式中，DC為指標性狀的耐旱系數；xi、CKi表示干旱、對照處理的性狀測定值，n為指標性狀數量；i為指標性狀。

采用R語言的GGEBiplotGUI 包進行GGE雙標圖繪制，GGE雙標圖模型方程為：

②

式中，Yij是基因型i與性狀j組合的遺傳值；μ是所有涉及性狀j的組合的平均值；βj是性狀j的主效應；λ1和λ2為主成分PC1和PC2的單值分解；gi1和gi2分別是基因型i在關于主成分PC1和PC2上的特征向量；e1j和e2j分別是性狀j在關于主成分PC1和PC2上的特征向量；Dj是表型標準差；εij是與基因型i和性狀j相結合的模型殘差。

采用SPSS 26.0進行配對樣本t測驗和聯合方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理土壤水分

圖1所示土壤含水量為質量含水量。2019，2020年谷子抽穗期和成熟期，CK和DS處理各層次土壤水分t檢驗差異均達顯著水平(P<0.05)。2019年，DS處理抽穗期和成熟期0～20 cm土壤含水量分別為6.59%和6.18%(相對含水量分別為33.79%和31.69%)，0～60 cm土壤含水量分別為9.39%和8.68%(相對含水量分別為48.15%和44.51%)；2020年，DS處理抽穗期和成熟期0～20 cm土壤含水量分別為8.51%和6.32%(相對含水量分別為43.64%和32.41%)，0～60 cm土壤含水量分別為8.75%和7.25%(相對含水量分別為44.87%和37.18%)。一般認為，當土壤相對含水量<40%時，作物受旱嚴重，土壤相對含水量為40%～60%時，作物呈現旱象[45]。2個處理的土壤含水量差異主要在抽穗期至成熟期，DS處理0～20 cm土壤含水量達重旱程度，說明谷子干旱脅迫處理有效。

2.2 不同處理對谷子農藝性狀和產量的影響

聯合方差分析表明(表1)，土壤水分環境對TGW有顯著影響，對其他指標有極顯著影響，基因型對SWP、GWP有顯著影響，對其他指標有極顯著影響，土壤水分環境與基因型互作對谷子生長性狀有極顯著影響，說明生長性狀更易受環境變化的影響。在干旱脅迫下，各指標性狀值較CK均發生不同程度下降。t檢驗結果表明(表2)，處理間各性狀成對數據差異均達到極顯著水平(TGW除外)(P<0.01)，其中SWP差異最大，其次為TNL。干旱脅迫處理和CK處理各性狀變異系數分別介于8.53%～43.32%(平均值為24.42%)和6.95%～48.36%(平均值為21.15%)，干旱脅迫處理各性狀變異系數大于CK(Y除外)。SNN和TGW的變異系數小于10%，說明二者在谷子材料間的離散程度較小。

小寫字母表示0.05顯著水平；大寫字母表示0.01顯著水平。Lowercase letters indicate significant difference at P<0.05; capital letters indicate significant difference at P<0.01.

表1 干旱脅迫和供水條件下不同基因型谷子農藝性狀的聯合方差分析Tab.1 Combined analysis of variance for agronomic traits of different foxtail millet genotypes under drought stress and well-watered

表2 供試谷子材料形態和產量指標描述性分析Tab.2 Descriptive analysis of morphology and yield indicators of foxtail millet

2.3 各指標性狀耐旱系數

從表3可以看出，各性狀的變異系數以SLDW和Y較大，其次為KPS。供試谷子材料在干旱脅迫處理后，各性狀平均耐旱系數均小于1，各指標性狀耐旱系數平均值從大到小依次為TGW、SNN、SL、LA、PH、TNL、SLDW、SWP、KPS、GWP、Y。同一材料不同性狀及不同材料同一性狀耐旱系數均有較大差異，說明各指標性狀對干旱脅迫反應的敏感性不同。對各性狀耐旱系數以組距為0.2分成5個區間組，制成頻次分布表 (表4)。可以看出，不同指標DC值的分布區間及同一區間不同指標DC值的分布次數和頻率差異較大。可見，用任何單一指標的耐旱系數來評價品種的耐旱性都存在片面性和不穩定性，必須用多個指標進行綜合評價才較為可靠。

表3 供試谷子材料各性狀耐旱系數Tab.3 Drought tolerance coefficient of each trait of foxtail millet genotypes

表4 供試谷子材料各性狀耐旱系數區間分布Tab.4 Interval distribution of drought resistance coefficients of each trait of foxtail millet materials

2.4 谷子耐旱性GGE雙標圖分析

以不同谷子材料和農藝性狀的耐旱系數(表3)為基礎，通過R軟件制作基因型-性狀的GGE 雙標圖。在GGE雙標圖上，同時給出供試材料和耐旱評價指標的圖標，從而分析作物種質與耐旱指標間的關系以及各指標性狀在種質耐旱性評價上的相似性[42，46]。GGE雙標圖通常選取所有材料和相應形態指標的前2個主成分(PC1 和 PC2)得分作為橫坐標和縱坐標繪于二維圖上即形成GGE雙標圖，而將其后的主成分信息合并為模型殘差[47]。

從圖2可以看出，PC1(AXIS1)和PC2(AXIS2)總計解釋了GGE總變異的71.15%，數據信息基本得到充分展示。GGE雙標圖中，連接原點和各性狀的直線稱為“向量”，兩向量間夾角的余弦近似于它們之間的遺傳相關系數[48]，據此判斷指標間的相關性。2個指標向量夾角小于90°時，夾角越小，正相關越顯著；夾角大于90°時，夾角越大，負相關越顯著；夾角接近90°時，表示無相反。正相關說明評價指標對品種耐旱性的評價相似，負相關說明評價指標對品種耐旱性的評價相左。圖2-A為各指標向量的相關性，可以看出，多數指標間呈正相關，有些指標存在緊密正相關，如生長性狀PH、LA、SLDW和SL之間及產量性狀SWP、GWP、KPS和Y之間，說明這4個生長性狀及4個產量性狀對谷子材料耐旱性評價相似。PH、LA、SLDW、SL與TGW夾角近似90°，說明這4個生長性狀耐旱系數與千粒質量耐旱系數相關性不顯著；SWP、GWP、KPS、Y與TGW夾角大于90°，說明這4個產量性狀耐旱系數與千粒質量耐旱系數負相關。

圖2-B為供試谷子材料與耐旱指標的關系。GGE雙標圖能直觀鑒別在不同指標下表現最好的材料，圖中的多邊形由連接同一方向上距離原點最遠的谷子材料組成，它把所有谷子材料都框在其內，再從原點出發做多邊形各邊的垂線，這些垂線將整個雙標圖分成幾個扇區。不同的材料和相關形態指標位于相應的扇區，并由此把耐旱評價指標分為不同的組，評價指標與材料位于相同的扇區表明，該指標對此材料的耐旱性影響最大。一般情況下，每個區內的“頂角”材料即為該扇區所包含性狀名義上耐旱性表現最好或接近最好的材料，位于多邊形內部或者靠近原點的材料則耐旱性表現稍差或較差。如頂角材料所在扇區未包含任何性狀，則說明該頂角材料耐旱性表現最差。由圖2-B可以看出，雙標圖基本被分成3大區域，谷子材料11個耐旱性鑒定指標落在其中2個區域。TGW和TNL為一組，其他指標為一組。在G30(頂角材料)扇區，G30、G1、G26、G25、G14、G4、G29等基因型在SWP、GWP、KPS、Y、SNN、LA、SLDW、PH、SL指標上的綜合表現較好，這些指標基本反映了谷子的耐旱性，因此，這些材料綜合耐旱性相對較好，G30綜合耐旱性相對更好；在G13(頂角材料)扇區、G13、G15、G17在TNL和TGW指標上表現較好；G6(頂角材料)扇區不包括任何耐旱鑒定指標，說明G6扇區所有材料在耐旱鑒定指標上的表現都不好，綜合耐旱性相對較差，其中G6耐旱性最差，其次為G11。這進一步說明谷子材料的耐旱性可以通過不同的農藝性狀體現。

A.耐旱指標相關性(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；B.供試材料與耐旱指標的關系(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；C.參試材料與理想材料比較(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=2)；D.評價指標與理想指標比較(Transform=0，Scaling=1，Centering=2，SVP=1)。

利用GGE雙標圖可以確定一個理想耐旱材料和耐旱鑒定指標的位置[49-50]。理想耐旱材料指在所有耐旱鑒定指標中表現最好的材料，理想耐旱鑒定指標指對所有參試材料耐旱性分辨能力最強，對所有耐旱鑒定指標最具普遍代表性。所謂 “理想” 材料和指標現實中并不一定存在，但可作為供試材料和指標理想程度比較的參照。以理想材料和指標為圓心做多層同心圓，根據與理想材料和指標的接近程度可直觀地對供試材料和指標的優劣進行排序。越靠近同心圓中心，則表示該材料和指標越理想。圖2-C、D中同心圓的圓心(箭頭位置)代表理想材料和指標的位置。由圖2-C可以看出，G1、G4、G14、G15、G17、G25、G26、G29和G30較其他材料更接近同心圓中心，耐旱性較強；G6離同心圓中心最遠，說明G6耐旱性最弱，其次是G11，再次為G18。從圖2-D可以看出，PH、SL、LA、SLDW較靠近同心圓中心，其次為SNN和SWP，說明這2組指標對谷子種質耐旱性鑒定能力較強。由于PH、SL、LA和SLDW之間顯著正相關，SNN和SWP顯著正相關，因此，可以從2組指標中各選擇一個簡便指標鑒定谷子耐旱性，如PH(株高)和SWP(穗質量)；TGW距離同心圓中心最遠，耐旱性鑒定能力最弱。

3 結論與討論

3.1 谷子耐旱性鑒定方法

干旱脅迫是影響谷子生長發育的重要因素，植物生理學意義上的耐旱性是指植物對干旱脅迫的適應性和抵抗力，其耐旱能力的高低主要表現在產量方面。產量的高低是農業生產中作物耐旱性能最實用的綜合表現[51]，因而有學者提出了以產量指標為依據的耐旱性直接評價方法[12-13，52]。這種評價方法能夠簡便、快速地對耐旱性進行大致的評判，但可能不利于從整體上把握作物耐旱的類型和機理，難以全面準確地反映各材料的耐旱性強弱；而且也有研究認為，僅依靠產量指標難以真正鑒定出作物的耐旱性[53]。作物的耐旱性是受多基因控制的復雜的數量性狀，很難用單個指標進行耐旱性鑒定，使用多指標評價則更能從不同階段、不同側面反映作物耐旱性的強弱和特點，可避免單一性狀的片面性和不穩定性[10，12，26]。

同一作物不同品種原有遺傳背景并不相同，因此，綜合考慮作物在正常供水和干旱處理條件下的性狀表現是鑒定作物耐旱性強弱的有效方法。耐旱系數法是經典的耐旱性評價方法，為各國學者所認可，反映了干旱脅迫條件下作物農藝性狀和產量的變幅，可有效消除不同谷子材料的遺傳背景差異，是目前作物耐旱性鑒定用得最多的方法[54]。用耐旱系數法篩選的材料不一定具有較好的豐產性，但可能蘊藏著耐旱基因，可為耐旱育種提供優異資源[52]，是一種簡便的度量基因型與環境互作的指標[24]。GGE雙標圖是一種研究基因型與性狀關系的有效工具，它最初是為了從多環境數據中研究數量性狀的基因型×環境互作發展而來[37]。本研究以不同谷子材料和農藝性狀的耐旱系數做基因型-性狀的GGE雙標圖，從而直觀分析谷子材料與耐旱指標間的關系。GGE雙標圖將供試評價指標分成2組，且不同谷子材料對應不同的耐旱評價指標，說明谷子的耐旱性是一個復雜的綜合特性，最終通過不同性狀體現出來。GGE雙標圖可以直觀地展現供試谷子材料耐旱性的強弱及耐旱鑒定指標的優劣。

3.2 谷子耐旱評價指標的篩選

聯合方差分析表明，土壤水分環境對耐旱指標有顯著影響，說明所選農藝性狀指標可用于谷子耐旱性評價。基因型對SWP、GWP有顯著影響，對其他指標有極顯著影響，表明所選谷子基因型豐富，適宜進行耐旱性鑒定。基因型與環境交互作用(G×E)揭示了基因型在不同環境中相對表現的不穩定性，顯示了基因型的尺度效應。本研究表明，基因型與土壤水環境的交互作用極顯著影響谷子的生長性狀，但對產量性狀的影響不顯著(TGW除外)，即不同的土壤水分環境下，生長性狀的穩定性低于產量性狀，表明供試材料的產量性狀可能具有較強的耐旱性。

作物的耐旱性是環境脅迫與基因型互作的結果，最終通過各種性狀在不同發育時期的一系列變化體現出來，不同指標性狀對干旱脅迫的敏感性存在很大差異，一般來說，生長發育和產量指標是鑒定耐旱性的可靠指標。已有研究表明，株高、單株穗質量、單穗粒質量和穗長等指標可作為谷子全生育期耐旱鑒定指標[24-26]。植株生長過程中應對干旱所做出的反應表現為植株農藝性狀的改變，本試驗以在不同處理下測定的農藝性狀和產量指標表現值為依據進行研究。結果表明，各耐旱評價指標平均耐旱系數均小于1，但有些材料個別指標耐旱系數大于1(如G7的SNN、G9的SLDW、G15的TGW等)，說明干旱脅迫促進了這些指標性狀的增加，這可能是由不同種質材料抵抗干旱脅迫的能力不同所致。GGE雙標圖分析表明，PH、SL、SLDW和LA距離“理想耐旱鑒定指標”較近，其次為SWP和SNN，由于PH、SL、SLDW、LA間夾角較小，SWP和SNN間夾角也較小，因此，從這2組指標中各選擇一個簡單直觀的耐旱鑒定指標即可，可以選擇株高(形態指標)和穗質量(產量性狀)指標，因為這2個指標相對比較簡單直觀，易于測量。干旱脅迫下的植株高度是該種群的主要特征，干旱脅迫最明顯的影響之一就是植株高度降低[55]。這是由于干旱脅迫導致植株體內水分匱乏，必然影響到生理生化過程和器官建成，進而對生長發育造成傷害。植物生長迅速時(營養生長階段)的水分脅迫首先限制了植物的株高[56]，降低了凈光合速率，使植物的同化產物減少，同時降低了結實率，進而減少穗粒數和單株穗質量。株高是判斷作物在干旱條件下能否正常生長的直觀形態指標，可以作為耐旱性評價的可靠有力證據[56]，產量性狀(穗質量等)是作物是否耐旱的最終表現。GGE雙標圖分析法理論上科學，應用上直觀簡便，但雙標圖分析只能利用前2個主成分近似地表達二維數據表的信息，通常不能100%解釋二維數據表。本研究對GGE雙標圖的分析是在其可以充分近似代表試驗數據的假設條件下進行的。如何判斷這個假設是否滿足，主要看雙標圖的擬合度，即前2個主成分(PC1和PC2)所解釋的試驗數據占總變異的百分數。本研究中雙標圖的擬合度是71.15%，能夠較好地近似試驗數據。而且無論數據多么復雜，由PC1和PC2所構成的2-D雙標圖所顯示的規律總是數據中最重要的規律[57]。

本研究表明，土壤水分環境對TGW有顯著影響，對其他指標有極顯著影響，基因型對SWP、GWP有顯著影響，對其他指標有極顯著影響，基因型和土壤水分環境互作極顯著影響谷子生長性狀，對產量性狀影響不顯著(千粒質量除外)。GGE雙標圖以圖解方式直觀有效地解析了供試材料耐旱性的強弱和耐旱評價指標的優劣及耐旱評價指標之間的相關性，揭示了谷子材料和耐旱評價指標之間的關系，對谷子材料耐旱性的評價結果與生產實際表現相符，株高和穗質量可作為谷子全生育期快速、準確的耐旱性鑒定指標。GGE雙標圖分析簡單直觀可靠，對谷子全生育期耐旱性鑒定具有顯見的實用價值。