基于DUS的30份普通小麥品種多樣性及相關性分析

摘要：為了優化普通小麥DUS測試審查并為普通小麥新品種選育提供參考依據，利用34個性狀對2020年出具報告的30份申請官方DUS測試的普通小麥品種的數據進行聚類、多樣性、相關性、差異系數等綜合分析，并結合近10年普通小麥申請和授權品種數量進行統計分析。結果表明，普通小麥育種領域存在行業壁壘，申請來源結構化單一，個人育種者數量極少，發展不均衡，普通小麥新品種授權速度存在一定的滯后性。數量性狀在特異性判定上的貢獻顯著大于質量性狀和假質量性狀。現有的普通小麥DUS測試指南中性狀“芽鞘：花青苷顯色強度”“芒：類型”“僅適用于有芒品種：芒：顏色”“莖稈：顏色”“護穎：顏色”“護穎：形狀”“籽粒：顏色”對普通小麥品種的特異性判別效果不理想；性狀“旗葉：寬度”與“植株：高度”之間呈現極顯著負相關關系，相關系數-0.727，建議在下次普通小麥DUS測試指南修訂時可以考慮對性狀“旗葉：寬度”進行優化，對變異系數最大的性狀“穗：不育小穗數”（55.69%）進行分級調整。建議育種者在培育高產優質的普通小麥品種時還可關注這些區別度較小的表型性狀，以便獲得更加新型優異的普通小麥品種。

關鍵詞：普通小麥；DUS測試；新品種；多樣性；相關性；聚類分析

中圖分類號：S512.103.7 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）21-0097-07

收稿日期：2023-11-02

基金項目：徐州市重點研發計劃（現代農業）項目（編號：KC21131）。

作者簡介：羅元凱（1994—），男，江蘇徐州人，碩士，研究實習員，主要從事植物生理栽培和植物品種測試技術研究。E-mail：20201014@jaas.ac.cn。

通信作者：劉亞菊，博士，副研究員，主要從事甘薯分子育種和植物品種測試技術研究。E-mail：yajuliu@jaas.ac.cn。

普通小麥（Triticum aestivum L.）是禾本科小麥屬植物的典型代表，是一種在全球各地廣泛種植的谷類作物，也是世界三大主糧之一，廣泛種植于我國各地區^［1］。普通小麥在我國種植歷史悠久，有接近4 000年的歷史^［2］，其是重要的戰略儲備，我國目前是全球小麥產量最大的國家，同時也是小麥消費量最大的國家^［3］，2022年全國小麥產量1.357 6億t^［4］。目前我國共有包括北部冬麥區、黃淮冬麥區、長江中下游冬麥區、西南冬麥區、華南冬麥區、東北春麥區、北部春麥區、西北春麥區、青藏春冬麥區和新疆冬春麥區10個小麥生態大區，因此我國小麥品種分布廣泛，小麥育種條件便利，優質的小麥品種資源市場潛力巨大，市場對小麥新品種的要求也從高產轉變為穩產、優質、高抗等，這對小麥新品種提出了更高的要求^［5］。

植物新品種的特異性（distinctness）、一致性（uniformity）和穩定性（stability）測試（簡稱DUS測試），是國際植物新品種保護聯盟（UPOV）確定的授予品種權的依據，主要是按照相關作物的測試指南實現對申請品種的性狀描述、三性判定等^［6-7］。DUS測試在我國目前是品種保護、品種審定和品種登記的法定要求。DUS品種測試評價是種業發展鏈條的關鍵環節，上承資源保護和育種創新，下啟快出品種、出好品種，事關國家糧食安全和農產品質量安全。近些年來，我國普通小麥新品種的父母本中83%來自于國內的已知品種，普通小麥育種中父母本涉及到國外品種的比例僅為17%^［8］。

普通小麥于2000年列入中華人民共和國農業植物新品種保護名錄（第二批），截至2023年4月，普通小麥品種申請量共4 032件，授權量1 601件，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會于2017年11月1日發布了GB/T 19557.2—2017《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南 普通小麥》，并于2018年5月1日開始實施。相對于2012年的指南，新增了“旗葉：下披比例”這一群體目測（VG）觀察性狀，并對相關測試細節進行了優化，目前我國普通小麥DUS測試均采用此國家標準。普通小麥品種DUS測試既是小麥品種權授權的前提條件，也是打擊侵權假冒，解決普通小麥品種同質化、仿種子等問題的必要技術手段^［9］。隨著我國農業供給側結構性改革的不斷推進，越來越多的名優特奇作物、優質農產品不斷推出，其中普通小麥新品種需求量激增，目前市場上小麥品種出現“一種多名”“一名多種”“套牌假冒”等非正常現象。傳統小麥育種在前期的資金和時間投入上較大，有的育種者通過改變優良品種的個別性狀創制出“新品種”，對小麥品種的原始創新造成了嚴重不良的影響。新修《中華人民共和國種子法》自2022年3月1日起施行^［10］，進一步擴大品種權保護范圍、延長保護鏈條，其中實質性派生品種制度的實施保護了原始育種者的合法權利，有利于推動普通小麥育種合理高效的發展。

普通小麥DUS測試任務來源越來越多樣化，普通小麥DUS測試審查任務面臨著新的挑戰。而且普通小麥品種是申請品種權保護數量排名靠前的作物，小麥同水稻、玉米等都是我國常見的主糧作物。目前相關文獻主要針對小麥品種遺傳多樣性^［11-12］、分子標記^［13］、抗病性^［14-15］等進行研究，對普通小麥DUS測試審查和測試指南的研究相對較少，因此，亟需優化普通小麥的DUS測試審查和評價現有的測試指南性狀，這對我國普通小麥新品種權保護和發展至關重要，也可為育種家們提供小麥育種的參考方向。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗所用的30份小麥申請品種均由農業農村部植物新品種測試中心提供（表1），于2020—2021年在農業農村部植物新品種測試（楊凌）分中心DUS試驗基地進行集中測試。試驗采用隨機區組設計，集中測試的觀測時期和觀測方式等完全按照GB/T 19557.2—2017《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南 普通小麥》的要求進行，共設2次重復，每個小區1 000株，在小麥測試田塊四周種植保護行，小麥的其他田間管理與當地生產管理方式保持一致。

1.2 數據統計方法和軟件

使用Excel 2021計算各普通小麥數量性狀的平均值、標準差、變異系數等參數；聚類分析采用非加權類平均法，軟件使用Origin 2021；數量性狀的相關性分析使用SPSS 25.0。

多樣性分析參考王業社等的方法^［16］，采用Shannon’s多樣性指數，公式如下：

H′=-∑P_iln（P_i）。（1）

式中：P_i為某個性狀第i個代碼出現的概率。

2 結果與分析

2.1 普通小麥申請量與授權量

由表2可以看出，自2014年以來普通小麥品種權的申請量整體呈逐年上升趨勢，因為受到新冠疫情的影響，2020—2021年申請增量呈現穩定狀態。2015年普通小麥授權占比最大，為78.08%，2022年授權量占比最低，僅為17.18%，主要原因是每年向植物新品種保護辦公室遞交的各種作物的新品種權申請量逐年遞增，導致授權程序存在一定的滯后性。2014—2022年小麥新品種授權數量無明顯規律，2021年小麥新品種授權件數最多，共計226件，相比2014年授權的36件，增長了5.28倍。表明隨著普通小麥新品種申請量的逐年增長，加上DUS審查更加規范和嚴格，其品種權的授權進度面臨著很大挑戰， 普通小麥品種權的授權整體速度存在一定的滯后性。

2.2 普通小麥DUS測試體系與申請來源

農業農村部植物新品種測試中心的DUS測試體系目前有27個測試分中心和6個測試站，其中可以承接普通小麥品種DUS測試的14個分中心，包括巴彥淖爾、成都、阜陽、公主嶺、哈爾濱、濟南、昆明、南京、烏魯木齊、西寧、襄陽、楊凌、原陽、張家口。測試分中心的布局基本覆蓋了全國所有小麥的生態區，可滿足不同來源的普通小麥DUS測試。如表3所示，2019—2022年普通小麥新品種申請數量總計2 387份，小麥申請來源主要分為科研院所、農業公司、個人3類，其中科研院所申請量占比最大（4年總計占比57.02%），其次是農業公司（4年總計占比40.47%），個人申請量占比最低（4年總計占比僅為2.51%）。受新冠疫情影響，2019—2021年小麥新品種申請數量變化比較穩定，2022年小麥新品種申請量顯著提升。表明目前小麥育種主要以科研院所和農業公司為主，小麥領域的個人育種者數量太少，小麥育種領域存在部分行業壁壘，結構化單一，發展不均衡。

2.3 多樣性分析

如表4所示，對30份普通小麥申請品種利用普通小麥測試指南中的34個測試性狀進行多樣性分析，多樣性指數區間位于0.00～1.51之間，多樣性指數最大的性狀是“旗葉：下披比例”達到1.51，此性狀為GB/T 19557.2—2017《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南 普通小麥》中新增的性狀，多樣性指數為0的7個性狀分別是“芽鞘：花青苷顯色強度”“芒：類型”“護穎：顏色”“*僅適用于有芒品種：芒：顏色”“莖稈：顏色”“護穎：形狀”和“籽粒：顏色”。多樣性指數整體水平較低，其中≥1.00的僅有10個性狀，表明此30份測試小麥品種整體的區別度較小，其中多樣性指數為0的7個性狀無法區分這30份普通小麥彼此之間的特異性。因此，在小麥品種DUS測試進行特異性判定時，應該著重關注多樣性指數較大的性狀。

2.4 質量性狀和假質量性狀分析

如圖1所示，所有的質量性狀和假質量性狀中，“穗：形狀”以長方形為主（占比93.33%），其次是橢圓形（占比6.67%），“籽粒：形狀”以卵圓形為主（占比92.86%），其次是橢圓形（占比7.14%），“冬春性”性狀在5級代碼均有分布，以冬性為主（43.33%），最少的是偏春性（10.00%），5個質量性狀和假質量性狀均只有1級代碼，各申請品種間在性狀上無區別。因此，質量性狀和假質量性狀在小麥申請品種特異性的判別上具有局限性，DUS審查過程中要重點關注此類性狀。

2.5 數量性狀分析

如圖1所示，相比于質量性狀和假質量性狀，數量性狀占比大（73.53%），30個申請品種在多樣性指數為0的7個性狀上均只有1級代碼，而在其余的性狀表達上則比較充分，代碼的離散性較大。“莖：髓厚度”“穗：不育小穗數”“葉耳：花青苷顯色”這3個數量性狀在3級代碼上均有表達，其余22個性狀在指南對應代碼表達上均有缺失。因此，數量性狀在普通小麥申請品種間特異性判定的貢獻上要顯著大于質量性狀和假質量性狀，但是針對普通小麥DUS審查過程中，還應結合質量性狀和假質量性狀來綜合評判。

2.6 數量性狀的變異系數和相關性分析

如表5所示，在30份普通小麥申請品種中，24份三性合格，另外8份一致性不合格。8個需要個體測量的數量性狀中除“旗葉：寬度”和“籽粒：千粒重”這2個性狀以外，三性合格品種的測量平均值均小于一致性不合格測量平均值，總體上，變異系數的變幅為5.04%～55.69%，其中“穗：不育小穗數”的變異系數最大，達到55.69%，表明此性狀的測量值變化較大，數據離散程度很高；“穗：小穗數”的變異系數最小，僅為5.04%，表明此性狀的整齊度很高。除了“穗：不育小穗數”這一性狀外的變異系數大于20%，剩余性狀的變異系數值均滿足測試指南研制時的要求。因此，審查DUS測試報告時應重點關注變異系數大于20%的性狀。

利用SPSS 26.0軟件的皮爾遜（Pearson）的積矩相關系數對個體測量數量性狀進行相關性分析，結果如表6所示，其中“旗葉：長度”與“穗：長度”呈極顯著正相關，相關系數為0.499，與“穗：不育小穗數”“植株：高度”呈顯著正相關，相關系數分別為0.423和0.383；“旗葉：寬度”與“植株：高度”“籽粒：千粒重”呈極顯著相關，相關系數分別為-0.727和0.500，與“穗：粒數”呈顯著相關，相關系數為-0.382；“植株：高度”與“穗：長度”“穗：粒數”呈顯著正相關，相關系數分別為0.367和0.453；“穗：長度”與“穗：小穗數”“穗：粒數”成極顯著正相關，相關系數分別為0.503和0.491；“穗：小穗數”與“穗：粒數”呈極顯著正相關，相關系數為0.465。由于“旗葉：寬度”與“植株：高度”之間的極顯著負相關系數比較大，因此在DUS測試和審查時，要針對二者進行重點比對，在下次小麥測試指南修訂時可以考慮對其中一個性狀進行優化。

2.7 聚類分析

聚類分析的結果如圖2所示，以遺傳距離0.125為閾值，對30份普通小麥申請品種進行系統聚類。聚類結果共分為5大組，組別Ⅰ包含5個品種（占比16.67%），主要特征為葉耳無花青苷顯色，護穎斜肩，籽粒質地角質；組別Ⅱ包含1個品種（占比3.33%），主要特征為葉耳強花青苷顯色，穗有強蠟質，穗粒數多；組別Ⅲ包含18個品種（占比60.00%），主要特征為葉耳無花青苷顯色，穗形以長方形為主，植株生長習性半直立為主；組別Ⅳ包含4個品種（占比13.33%），主要特征為葉耳弱花青苷顯色，抽穗期中，旗葉寬度窄到中，芒長中等，護穎丘肩，千粒重低到中，冬性小麥；組別Ⅴ包含2個品種（占比6.67%），主要特征為葉耳無花青苷顯色，穗短，千粒重中等。性狀1、20、22、23、25、27、31在所測試的30個品種間無區別，性狀11、18、19在品種間區別度較小，說明上述性狀在判別品種間特異性方面局限性很大。

3 討論

植物新品種權是重要的種業知識產權，完成育種的單位和個人對其授權品種享有排他的獨占權，它既是民法典規定的知識產權的重要內容，也是種業振興行動凈化種業市場環境的重要內容，隨著普通小麥品種權申請量的逐年增長，加上DUS審查更加規范和嚴格，普通小麥新品種權的授權速度存在一定的滯后性。程郁等研究表明，種質資源、育種技術、育種人才和海外專利技術布局這4個領域是制約小麥等種業發展的關鍵因素^［17］，而本研究表明，目前小麥育種主要以科研院所和農業公司為主，小麥領域的個人育種者占比少，小麥育種領域存在部分行業壁壘，結構化單一，發展不均衡，因此這也是制約小麥種業發展的因素之一。而且科研院所和農業公司實力強勁，個人育種者存在技術和能力的瓶頸，表明對普通小麥育種創新主體的扶持不平衡，更加需要EDV（實質性派生品種）等制度保護原始育種創新。

王永行等通過對19份普通小麥DUS測試結果進行遺傳多樣性分析，結果表明普通小麥的穗長和旗葉長存在極顯著的正相關關系，建議取消旗葉寬作為測試性狀^［18］，本研究結果與之一致；同時褚云霞等通過對24份在上海種植的普通小麥進行DUS測試分析后發現，“植株：高度”與多個性狀顯著相關，并建議調整“穗：不育小穗數”性狀的分級數^［19］，本研究結果與之相同，通過對30份普通小麥申請品種的34個測試性狀進行分析，研究表明質量性狀和假質量性狀在普通小麥申請品種特異性的判別上具有相當大的局限性，本研究發現數量性狀在普通小麥申請品種特異性判定的貢獻上要顯著大于質量性狀和假質量性狀，但針對普通小麥DUS審查過程，應該同時結合質量性狀和假質量性狀來綜合評判。而且本研究結果表明性狀“穗：不育小穗數”的變異系數最大，達到55.69%，所以此數量性狀可以重點利用在普通小麥DUS測試中，用于區分各申請品種間的特異性。審查普通小麥DUS測試報告時應重點關注變異系數較大的性狀，同時建議指南修訂時調整“穗：不育小穗數”的分級數。

本研究表明，“旗葉：寬度”與“植株：高度”之間呈現極顯著負相關，相關系數為-0.727，因此在DUS測試和審查時，要針對這2個性狀進行比對判斷，建議在下次普通小麥DUS測試指南修訂時可以對性狀“旗葉：寬度”進行優化。通過聚類分析發現，30份普通小麥申請品種被分成5個不同的混合亞群，其中性狀“芽鞘：花青苷顯色強度”“芒：類型”“僅適用于有芒品種：芒：顏色”“莖稈：顏色”“護穎：顏色”“護穎：形狀”“籽粒：顏色”在品種間無區別，性狀“旗葉：寬度”“穗：小穗著生密度”“穗：形狀”在品種間區別度較小，說明上述性狀在判別品種間的特異性方面局限性極大，這可能與普通小麥品種選育的目標一致，導致部分性狀同質化，因為普通小麥商業育種更看重品種的賣相，如田間長相好、整齊好看、穗大粒大、抗倒伏等^［20］，而不是針對DUS測試性狀進行選育。針對現有的普通小麥DUS測試指南中的7個性狀對小麥品種的特異性判別不理想這一問題，建議育種者在培育高產優質的普通小麥品種時還可關注這些區別度較小的DUS測試性狀，以便獲得更加新型優異的普通小麥品種。

4 結論

總體來說，普通小麥育種領域存在行業壁壘，個人育種者數量極少，發展不均衡，普通小麥新品種授權速度存在一定的滯后性。現有普通小麥測試指南中的數量性狀在特異性判定上的貢獻顯著大于質量性狀和假質量性狀。性狀“芽鞘：花青苷顯色強度”“芒：類型”“僅適用于有芒品種：芒：顏色”“莖稈：顏色”“護穎：顏色”“護穎：形狀”“籽粒：顏色”對普通小麥品種的特異性判別效果不理想；性狀“旗葉：寬度”與“植株：高度”之間呈現極顯著負相關，相關系數為-0.727，建議在下次普通小麥DUS測試指南修訂時可以考慮對性狀“旗葉：寬度”進行優化，對變異系數最大的性狀“穗：不育小穗數”（55.69%）調大分級數。建議育種者在培育高產優質的普通小麥品種時還可關注這些區別度較小的表型性狀，以便獲得更加新型優異的普通小麥品種。

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