基于GGE雙標圖分析新麥草種質部分性狀的基因型-環境互作

王 恬， 云 嵐,2*， 李 珍， 呂玉茹

(1.內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特 010011； 2.草地資源教育部重點實驗室， 內蒙古 呼和浩特 010011)

新麥草(Psathyrostachysjuncea(Fisch.) Nevski)是禾本科(Poaceae)多年生異花授粉牧草，原產于中亞和西伯利亞，分蘗能力良好，抗逆性強，對寒冷干旱氣候適應性良好，廣泛種植于新疆、西藏及內蒙古等地[1-2]。新麥草屬短根莖下繁禾草，返青早、青綠期長、再生性強、抗寒、抗旱、利用年限長；耐鹽堿，營養價值高，適口性良好，是既可放牧又可刈割的優良牧草[3-6]。常被用于生態環境修復和綠地建設，是北方地區生態建設的重要牧草[7-8]。

由于地理環境的不同，植物的農藝性狀在生長的過程中會受到環境的影響，在不同試驗環境中表現出不同的性狀差異，因而難以客觀評價。這是由基因型、環境及基因型與環境互作效應共同作用的結果。因此，需要通過多點試驗來對種質材料進行鑒定。目前，常用的方法有AMMI模型和GGE雙標圖模型。AMMI模型雖然操作簡單，但是存在一定的局限性，對品種和試驗環境的區分能力較差，可靠性較低[9-10]。GGE雙標圖可以用圖形直觀的展示分析結果，近年來，已經在花生(ArachishypogaeaL.)[11-12]、玉米(ZeamaysL.)[13-14]、棉花(GossypiumherbaceumL.)[15]、小麥(TriticumaestivumL.)[16-17]、苜蓿(MedicagosativaL.)[18]等植物中廣泛應用。Xu等[19]通過多年多點試驗研究了基因型效應、年份和地點效應以及他們三者之間互作對棉花性狀的影響，確定了各性狀在不同環境下的差異以及適宜各品種棉花種植的地點。Carter等[20]研究了基因型、環境和基因型×環境互作對胞囊蟲感染和非感染環境中生長的大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)種子異黃酮濃度的影響。孫憲印等[21]利用GGE雙標圖研究了小麥區域試驗中品種與地點互作對產量的影響，分析對比了小麥品種的豐產性、穩定性，明確了不同環境適宜種植的小麥品種。Owusu等[22]明確了加納地區多環境下基因型×環境互作對雜交玉米品種產量和穩定性的影響。柴繼寬等[23]利用GGE雙標圖分析了5個試點8個燕麥(AvenasativaLinn)品種產量的穩定性和豐產性，明確了各品種適宜種植的地點。雖然目前已有一些新麥草遺傳性和表型分析的研究[24-26]，但未見在多年多點環境下對新麥草性狀的評價和分析研究，特別是缺乏運用GGE雙標圖模型對新麥草進行性狀分析的報道。因此，本研究以21份新麥草種質建立的2個克隆群體為材料，在2地點進行連續3年性狀評價，研究多年生禾草年際生長動態，揭示基因型、環境及基因型與環境互作效應對新麥草性狀的影響，明確不同地點各性狀的差異，確定不同地區適宜的種質，為新麥草種質改良及種植利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

共選取21份來源于不同國家和地區的新麥草種質材料(表1)作為實驗材料，其中編號200801、200802兩份材料來自內蒙古農業大學，其余19份由美國國家植物種質庫(NPGS)提供。

表1 新麥草種質材料及來源Table 1 The collections and source countries of Psathrostachys juncea germplasms

1.2 試驗設計

21份種質材料于2018年1月單株育苗，成苗后分株移栽成兩個克隆群體，2019年6月分別單株種植于內蒙古呼和浩特和包頭兩個試驗點(表2)，隨機區組設計，行距60 cm，株距50 cm，每份材料30株，分別進行人工防除雜草和正常灌溉。

表2 2019—2021年試驗點環境參數Table 2 2019—2021 General environmental parameters of the test sites

1.3 測定指標及方法

2019—2021年于春季和秋季對葉層高、株高、基叢徑、冠幅、分蘗數、葉長等6個性狀進行測定。葉層高：測量營養枝組成的葉層的自然高度。株高：測量植株伸展時地面至頂端的高度。基叢徑：測量株叢基部外圍周長。冠幅：測量處于自然狀態的植株葉片向周邊延伸的最大和最小直徑，取平均值。分蘗數：植株的地面以下或近地面處所發生的分枝的個數。葉長：每株隨機選取5枚葉片，測量葉基部到葉尖的長度，取平均值。

1.4 數據分析

利用Excel進行數據的初步處理，利用SAS 9.4進行方差分析，基因型與環境互作效應利用R語言GGEBiplotGUI包[27]進行分析并做圖。

GGE模型被稱為環境中心化的主成分分析，在原始數據中減去環境的平均值后將基因型在互作效應中進行奇異值分解[28]。GGE雙標圖是基于前兩個主成分PC1和PC2，具體公式為：

具體公式為：

Yge=μ+βe+λ1γg1δe1+λ2γg2δe2+ρge+εge

其中，Yge是第g個基因型在第e個環境中的生長性狀的測量值。μ是所有試點總體基因型的平均值，βe是環境e的均值。λ1，λ2是第1，2個主成分的奇異值，γg1，γg2是基因型g在第1，2個特征向量得分。δe1,δe2是環境e在第1，2個特征向量得分。ρge基因型g在環境e的殘差，εge是總體誤差。

2 結果與分析

2.1 不同環境下新麥草性狀的比較

2019年至2021年在呼和浩特和包頭2個試驗點對21份新麥草部分性狀進行描述性分析(表3)。結果表明，不同地區的不同年份對新麥草的葉層高、株高、冠幅、基叢徑、分蘗數、葉長的影響具有顯著性差異(P<0.05)。各性狀在兩試點均呈逐年增大趨勢，葉層高、冠幅和葉長在2021年時，兩地區未達到顯著差異。不同環境中，分蘗數在基因型間的變異系數最大，均超過了33%，最大變異系數高達69.83%，出現在2019年包頭；而葉長的變異系數最小，僅為15.60%，出現在2021年呼和浩特。表明各性狀受環境影響較大，不同地區存在較大的差異。

2.2 新麥草部分性狀方差分析

對新麥草性狀進行聯合方差分析(表4)，結果顯示，6個性狀在不同年份、不同試驗區及不同種質材料間均存在顯著差異(P<0.05)。單獨環境效應下，除分蘗數在P<0.05水平下顯著外，其它5個性狀差異顯著性均達P<0.01水平；其它效應下6個性狀差異顯著性均達到P<0.001水平。各效應因子中，基因型與年份效應的平方和占總處理平方和的比例最大，表明基因型與年份效應對新麥草表型有更大地影響。6個性狀的基因型效應、基因型與環境、基因型與年份互作效應均達到顯著水平，說明基因型效應在不同環境和不同生長年份均對新麥草的性狀具有顯著影響。

2.3 試驗地區分力、代表性及相關性分析

試驗地線段和平均環境軸(帶箭頭的線段，箭頭位置為平均環境點)的角度可以判斷環境的代表性，一般角度越小，代表性越強。對于葉層高(圖1A)、株高(圖1B)、冠幅(圖1D)，兩個地區中，與平均環境軸夾角較小的是呼和浩特，因此呼和浩特比包頭具有代表性；而基叢徑(圖1C)、分蘗數(圖1E)、葉長(圖1F)則表現相反，包頭比呼和浩特更具代表性。

表3 不同環境下新麥草部分性狀描述性分析Table 3 Descriptive analysis on some traits of Psathyrostachys juncea in different environments

表4 新麥草部分性狀方差分析Table 4 The variance analysis on some traits of Psathrostachys juncea

試驗地對種質材料的區分能力可通過試驗地線段的長度體現，線段越長，區分能力越強。6個性狀區分力較好的均為包頭。

各環境間的夾角可以看出試驗地之間的相關性。夾角小于90度表示正相關，說明兩環境對種質材料有相似的影響，大于90度表示負相關，表示兩地的環境對種質材料的影響相反，等于90度說明兩環境不相關。6個性狀包頭與呼和浩特的夾角均小于90度(圖1)，表明兩地點間有相關性。

2.4 試驗地適應性分析

根據平均環境軸畫同心圓，地點所處的圓越小，說明地點的適應性越好。由圖2可知，對葉層高(圖2A)，兩地適應性程度相似；對株高(圖2B)，適應性較好的試點是呼和浩特；其余4個性狀，環境適應性較好的試點是包頭。

2.5 基因型的生態區劃分

將距離原點最遠的基因型連接構成一個不規則多邊形，以坐標原點為頂點對多邊形每條邊做垂線，形成不同的扇形區，多邊形頂角的種質材料為該區的優良基因型。分組結果顯示，對葉層高(圖3A)，兩試驗地被分在同一生態區，優良基因型為502573；對株高(圖3B)，兩個試驗地在兩個不同的生態區，優良基因型顯示，包頭生態區的基因型是200801，呼和浩特生態區的是502573；對基叢徑(圖3C)，兩試驗地在同一生態區，優良基因型為595135；對冠幅(圖3D)，兩個試驗地也被分在同一生態區，502577為優良基因型；對分蘗數(圖3E)，兩個試驗地在兩個不同的生態區，優良基因型顯示，包頭生態區的基因型是200802和502573，呼和浩特生態區的是272136；葉長(圖3F)顯示兩試驗地為同一生態區，優良基因型為619565。

圖1 試驗地點區分力和代表性 Fig1. Discernmentation and representativeness of test sites on the agronomic traits of Psathrostachys juncea注：PC代表主成分。E1，呼和浩特；E2，包頭。數字1～21表示基因型，具體信息見表1。GGE雙標圖分別為A，葉層高；B，株高；C，基叢徑；D，冠幅；E，分蘗數；F，葉長Note:PC represents for principal component. E1,Hohhot;E2,Baotou. The number 1～21 indicates the genotype,the information of genotypes is shown inTable 1. Panel A,Crown height;B,Plant height;C,Base diameter;D,Crown width;E,Tillers number;F,Leaf length

圖2 試驗地適應性Fig.2 Adaptability analysis of test sites on the 6 agronomic traits of Psathrostachys juncea注：PC代表主成分。E1，呼和浩特；E2，包頭。數字1～21表示基因型，具體信息見表1。GGE雙標圖分別為A，葉層高；B，株高；C，基叢徑；D，冠幅；E，分蘗數；F，葉長Note:PC represents for principal component. E1,Hohhot;E2,Baotou. The number 1～21 indicates the genotype,the information of genotypes is shown inTable 1. Panel A,Crown height;B,Plant height;C,Base diameter;D,Crown width;E,Tillers number;F,Leaf length

圖3 基因型適應性分析Fig.3 Adaptability analysis of the genotypes of Psathrostachys juncea on its 6 agronomic traits注：PC代表主成分。E1，呼和浩特；E2，包頭。數字1～21表示基因型，具體信息見表1。GGE雙標圖分別為A，葉層高；B，株高；C，基叢徑；D，冠幅；E，分蘗數；F，葉長Note:PC represents for principal component. E1,Hohhot;E2,Baotou. The number 1～21 indicates the genotype,the information of genotypes is shown inTable 1. Panel A,Crown height;B,Plant height;C,Base diameter;D,Crown width;E,Tillers number;F,Leaf length

2.6 基因型穩定性分析

對于所測定的性狀，用與箭頭距離的遠近表示生長量的大小，越靠近箭頭的基因型生長量越高，越遠離箭頭的種質，生長量最低；以平均環境軸為基準做垂直虛線，距離越短表示生長量越穩定。由圖4可知，對葉層高(圖4A)，502573生長量是最高的，其次是598614,531827,476299,502572，5個種質材料中穩定性較好的前3個基因型為598614,476299,502572，它們靠近平均軸。最不穩定的基因型是565052，生長量最低的基因型是565052，綜合分析，598614是生長量高又穩定的基因型；對株高(圖4B)，生長量最高的是502573，其次是619565,200801,502572,565051，其中穩定性較好的前3個基因型為565051,619565,502572，最不穩定的是200802，生長量最低的是565052，綜合分析，619565是高生長量又穩定的種質材料；對基叢徑(圖4C)，生長量排名較前的是502573,598614,531827，其穩定性均處于較低水平，而穩定性排名較前的是502576,565060,531826，但生長量均低于平均生長量，最不穩定的是595135，生長量最低的是565052；冠幅(圖4D)生長量較好的是502573,502577,502572,565051,598610，穩定性排名依次為502572,565051,598610,502573,502577，最不穩定及生長量最低的是476299，綜合分析，502572是高生長量又穩定的基因型；對分蘗數(圖4E)，502573生長量最高，其次是595135,619565,200802,502577，其中穩定性較好的材料是502577,619565,595135，最不穩定的是565051，生長量最低的是565052，經分析可知，619565是高生長量又穩定的種質材料；對葉長(圖4F)，生長量較高的是598610,531827,502573,502572,598614，較為穩定的為598610,502572,531827，最不穩定的是476299，生長量最低的是531828，通過分析，高生長量又穩定的種質材料為598610。

圖4 基因型穩定性分析Fig.4 Stability analysis of the genotypes of Psathrostachys juncea on its 6 agronomic traits注：PC代表主成分。E1，呼和浩特；E2，包頭。數字1～21表示基因型，具體信息見表1。GGE雙標圖分別為A，葉層高；B，株高；C，基叢徑；D，冠幅；E，分蘗數；F，葉長Note:PC represents for principal component. E1,Hohhot;E2,Baotou. The number 1～21 indicates the genotype,the information of genotypes is shown inTable 1. Panel A,Crown height;B,Plant height;C,Base diameter;D,Crown width;E,Tillers number;F,Leaf length

3 討論

新麥草既是一種飼用牧草，也是重要的生態草種。選育適應不同區域種植的種質材料對于新麥草的利用和生產極為重要。前期研究表明，分蘗數等6個性狀是與地上生物量顯著相關的重要性狀，因此，分析這些性狀的各種表現可以為新麥草培育提供科學的指導。本研究通過對21份材料分析表明，6個性狀變異幅度都比較大，變異幅度最大的是分蘗數，變異系數達69.83%，葉長的變異幅度最小，為15.60%。范亞坤等[25]對新麥草飼草產量相關農藝性狀進行了分析，結果表明各性狀間均存在較大的變異幅度，變異系數最大的性狀是生殖枝數和營養枝數。本研究6個性狀中分蘗數的變異幅度最大，是因為分蘗是一種復雜的發育性狀，其形成極易受到遺傳和環境的影響，本研究中供試的材料來源廣泛，具有較遠的遺傳距離，可能是導致該性狀變異幅度較大的原因。此外，方差分析結果表明，兩地區3年度各性狀均達到差異顯著水平，表明除種質材料基因型效應外，種質材料對環境的適應性不同，外界因素對不同性狀表現出不同的影響，與前人研究結果相似[18,29]。對于新麥草，在適宜的生長年限內，隨著種植年限的延長，各性狀數值均呈現上升趨勢，因而表現出年份對其生長發育具有極大的影響。

基因型和環境對植物性狀的影響一直是育種面臨的問題[30-31]，大多數性狀受環境和遺傳因素共同影響[32-33]。由于存在基因型與環境的相互作用，使得環境成為植物生長發育的重要影響因素，普通的數據分析方法不能直觀準確地體現出品種與環境的關聯，可選用GGE雙標圖模型來進行多地點試驗的比較分析，該模型可以直觀地表達出品種和環境的關系，從而找到理想的種植品種[34-35]。GGE雙標圖作為一種有效準確的分析模型，已經在多種植物中廣泛應用[36-38]。因此，綜合評價新麥草主要農藝性狀在不同種植環境下的遺傳穩定性，可以為篩選具有廣泛適應性、性狀優良的種質提供參考。

本研究中大部分性狀包頭地區優于呼和浩特，可能是因為兩地實際環境存在一定的差異，從試驗地環境參數可以看出，包頭有效日照時數明顯高于呼和浩特，而光是植物進行光合作用的決定因素，影響著植物的形態結構[39]，充足的光照時數是促進新麥草生長發育的有利條件，可能是導致包頭地區供試材料表現較好的原因之一。植物性狀的基因型與環境互作模式比較復雜，因此有必要進行進一步的分析，選擇表現穩定、性狀優良的種質材料與地點，以期對新麥草種植起到指導作用。利用GGE雙標圖對21份種質材料的6個性狀進行分析，篩選出了不同性狀對環境的適應情況及各地區適宜種植的種質材料。其中，葉層高在兩試驗地的適應程度相似，且兩地均適宜種植的是598614。株高在呼和浩特的表現優于包頭，呼和浩特是較為理想的種植地，適宜種質是619565。對基叢徑和冠幅，兩試驗地相比，包頭的適應性較好，可選擇502572進行種植。要得到分蘗數最多且穩定的種質材料可將619565種植于包頭。而對于葉長，598610可作為最適種質材料種植于包頭。葉層高和葉長性狀生長量高且較為穩定的材料598610和598614來源于哈薩克斯坦，株高和分蘗數性狀表現較好的材料619565來源于蒙古，可能是由于這兩個國家均毗鄰中國，且與試驗地點緯度相近、氣候特點相似，均屬大陸季風氣候，種質材料更適應干旱氣候條件，從具有相似氣候條件的地區引種材料，這些材料適應性更強，因此性狀變異也較小。研究發現，除葉長外，其他性狀生長量最高的種質材料都為502573，但其表現不夠穩定，可作為候選優異種質資源和改良某些重要性狀的育種材料。可能是因為該材料為野生馴化種質，本身遺傳變異性較強，且其來源于更高緯度的前蘇聯地區，與試驗地點距離較遠，氣候差異較大，在引進本地后未完全適應當地的地理環境和氣候。同時也發現，性狀高生長量和穩定性之間存在一定的差異性。陳彩錦等人[18]在對苜蓿豐產性和穩定性的分析中也得到了相似結論。

本研究對象新麥草為異花授粉多年生植物，限于研究材料的性質僅在兩地開展試驗，對部分性狀生長狀況進行了多年連續比較分析，后續還需進行進一步的驗證，綜合分析產量、抗逆性等多個指標，為新麥草因地制宜利用提供較為全面的理論依據。

4 結論

通過研究得出，新麥草6個性狀中變異幅度最大的是分蘗數，葉長的變異幅度最小。方差分析表明，與其它效應相比，基因型與年份效應對新麥草的表型有更大地影響。GGE雙標圖模型分析結果顯示，葉層最高且穩定的種質材料是598614，株高較高且相對穩定的種質材料是619565，基叢徑最大的種質材料是502573，但穩定性最好的是502572，冠幅最大且穩定的種質材料是502572，分蘗數最多且穩定的種質材料是619565，葉長最長且穩定的種質材料是598610。綜合區分力和適應性，比較理想的試點是包頭。通過基因與環境互作效應分析，篩選出了不同種植需求下適宜種植的新麥草種質材料，為新麥草品種選育提供參考依據。