田間試驗設(shè)計在作物育種中的應(yīng)用

陳敏康，李金玲

(1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學院，貴陽 551400；2.貴州大學，貴陽 550025)

農(nóng)作物種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的起點，種子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科技水平的綜合體現(xiàn)，習近平總書記今年在海南考察時再次強調(diào)“種子是我國糧食安全的關(guān)鍵”，為鞏固糧食安全體系，需要通過改良品種來提高產(chǎn)量。作物育種是研究選育與繁育作物優(yōu)良品種的理論與方法的一門科學，促進作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。

田間試驗與統(tǒng)計分析起源于遺傳育種，也是作物育種研究的工具，提供作物育種的方法，在作物育種的資源鑒定評價、育種方法選擇、區(qū)域試驗、新品種配套種植技術(shù)以及種子生產(chǎn)各環(huán)節(jié)應(yīng)用。但是田間試驗方法較多，各方法在作物育種中的應(yīng)用報道較少，僅見于格子設(shè)計在育種中的應(yīng)用[2]，植物育種程序中早期鑒定篩選的田間試驗[3]，未見田間試驗設(shè)計各方法在作物育種中應(yīng)用的系統(tǒng)報道，為此本研究對田間試驗設(shè)計的順序排列和隨機排列各方法在作物育種中的應(yīng)用進行系統(tǒng)歸納，并將各方法的適用范圍、優(yōu)點、弊端等進行詳細闡述，為作物育種工作者品種選育各環(huán)節(jié)提供參考，也為我國糧食高質(zhì)量發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

田間試驗設(shè)計包括順序排列和隨機排列，順序排列有對比設(shè)計和間比設(shè)計，隨機排列有完全隨機試驗設(shè)計、隨機區(qū)組試驗設(shè)計、拉丁方試驗設(shè)計、裂區(qū)試驗設(shè)計等[4-6]，本研究將對上述試驗設(shè)計方法進行詳細闡述。

1 順序排列設(shè)計在作物育種中的應(yīng)用

順序排列設(shè)計在育種試驗前期階段運用較多，該設(shè)計是在重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照其成熟期早晚、植株的高矮、抗性的強弱等一定的順序排列試驗小區(qū)，對于育種工作者而言設(shè)計簡單，操作方便，還能夠減少試驗小區(qū)間的邊際效應(yīng)和生長競爭，但是由于重復(fù)區(qū)內(nèi)各處理沒有隨機排列，品比試驗時易在品種間產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，所以在估計試驗誤差時有偏差，導(dǎo)致不能無偏估計試驗誤差，尤其是當土壤肥力存在明顯差異時，理論上不能應(yīng)用統(tǒng)計的顯著性檢驗進行分析。一般在試驗實施比較方便，品種多，試驗精確度要求不高，在不做統(tǒng)計推斷的早期試驗或者預(yù)備試驗時采用此方法。順序排列包括對比設(shè)計和間比設(shè)計兩種，分別介紹兩種試驗設(shè)計在作物育種中的應(yīng)用。對比設(shè)計是重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照一定順序排列，每個供試品種均排列在對照區(qū)旁，即每隔兩個品種設(shè)置一個對照，方便各品種與對照直接比較，對于狹長形小區(qū)，土壤肥力相似，可獲得較精確的試驗結(jié)果，而且有利于試驗的實施與觀察。不同重復(fù)區(qū)內(nèi)品種可排列成逆向式或階梯式，逆向式便于田間觀察和記錄，階梯式避免同一品種的小區(qū)排列在一條直線上。對比設(shè)計的對照區(qū)多，占了試驗地的三分之一，品種比較不宜過多，一般10個品種以內(nèi)。對比設(shè)計主要運用相鄰小區(qū)土壤肥力差異小來減少試驗的誤差。

間比設(shè)計是重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照一定順序排列，第一個小區(qū)和最后一個小區(qū)一定是對照區(qū)，每兩個對照間排列相同數(shù)目的品種，通常為4個或9個。各重復(fù)區(qū)可排列成一排，也可排列成多排。排列多排時，不同重復(fù)區(qū)內(nèi)品種的排列可采用逆向式或階梯式。如一塊土地上不能安排整個重復(fù)小區(qū)，則可在另一塊土地上接著安排，但開始一定要設(shè)置對照小區(qū)，成為額外對照。對照占的試驗地較對比設(shè)計少，適宜大量的品種比較，如玉米育種初篩[7],一般在新品種選育中原始材料觀察、早期的品系選擇、鑒定圃多株系鑒定中使用。

2 隨機排列設(shè)計在作物育種中的應(yīng)用

隨機排列試驗是各品種隨機排列在重復(fù)區(qū)內(nèi)的各小區(qū)上，可合理估計試驗誤差，能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果進行精確的統(tǒng)計分析并推斷，試驗結(jié)果的可靠性高，因此，一般適用于精確度要求較高的育種試驗，如雜交育種[7-10]、自交試驗[11-12]等。隨機排列設(shè)計方法較多，包括完全隨機試驗設(shè)計、隨機區(qū)組試驗設(shè)計、拉丁方試驗設(shè)計和裂區(qū)試驗設(shè)計等。

完全隨機試驗設(shè)計將各品種完全隨機安排在各試驗小區(qū)，品種和重復(fù)數(shù)量不受限制，各品種的重復(fù)數(shù)可相等也可不相等，這種設(shè)計的小區(qū)安排靈活，每個品種有同等機會安排在任何小區(qū)上，單因素試驗或多因素試驗均可，統(tǒng)計分析相對簡單，在玉米[13]、水稻[14]育種上廣泛運用。隨機的方法可采用計算機隨機或抽簽法。但完全隨機試驗設(shè)計缺少局部控制的原則，要求試驗環(huán)境因素差異小，否則試驗精確度較低，因此一般應(yīng)用在品種的小環(huán)境田間試驗、盆栽試驗[15-17]、溫室盆缽試驗、組培實驗[18]等。

隨機區(qū)組試驗設(shè)計利用了田間試驗設(shè)計的隨機、重復(fù)和局部控制三個原則，既可控制試驗誤差，也可降低試驗誤差，獲得了試驗誤差的無偏估計值，因此該方法是最常用、最基本的試驗設(shè)計。隨機區(qū)組試驗設(shè)計適用范圍廣，單因素、多因素、綜合性品比試驗均可；同時該方法對試驗地形條件要求不嚴，必要時不同區(qū)組可安排在不同地段上；另外統(tǒng)計分析方便，如果因不可控制因素導(dǎo)致某一個品種或者區(qū)組數(shù)據(jù)缺失，可去掉該品種或區(qū)組繼續(xù)進行統(tǒng)計分析，在木本植物[19-20]、禾本科[21-24]以及蔬菜類[25-27]育種中廣泛應(yīng)用。但隨機區(qū)組試驗設(shè)計也存在不足，品種試驗一般不超過20個，10個左右合適；同時，該試驗局部控制只能控制一個方向的土壤差異。

拉丁方試驗設(shè)計是將品種從縱橫兩個方向進行局部控制，每個品種在每一行和每一列上出現(xiàn)相同的次數(shù)，即有多少品種就有多少重復(fù)。由于該設(shè)計從兩個方向進行環(huán)境條件的局部控制，雙向消除環(huán)境條件差異，試驗的精確度高。但是，品種數(shù)等于重復(fù)數(shù)，因此品種不能太多，否則試驗地面積過大，試驗誤差增加，試驗的精確度和品種間差異的靈敏度降低，一般常用5～8個品種試驗，當然，也可采用更復(fù)雜的復(fù)拉丁方設(shè)計，根據(jù)所研究的品種試驗而定。

裂區(qū)試驗設(shè)計是多因素試驗設(shè)計方法，一般運用在品種與栽培措施組合的試驗中，并且因素有主次之分，希望對主要因素有較高的精確度。例如，品種與播期二因素試驗，品種是主要因素，要求精確度高，而播期是次要因素，精確度要求較低。裂區(qū)設(shè)計的主區(qū)常按隨機區(qū)組排列方法，也可按完全隨機或拉丁方排列。裂區(qū)試驗設(shè)計在作物育種上應(yīng)用，品種的主效比栽培措施的主效更重要，對品種主效要求的精確度高，或者品種對面積的需要較栽培措施的更大，或者品比試驗方案臨時變更，如品比試驗開展后，再加栽培措施試驗。如在裂區(qū)試驗設(shè)計基礎(chǔ)上，再引入一試驗因素，則可用更復(fù)雜的再裂區(qū)設(shè)計，根據(jù)育種者研究需要安排。

3 結(jié)論與討論

對比設(shè)計和間比設(shè)計主要在作物育種試驗前期階段運用較多，如資源鑒定、大量品種初篩、品種預(yù)試驗等。完全隨機試驗設(shè)計應(yīng)用在品種比較的小環(huán)境田間試驗、盆栽試驗、溫室盆缽試驗、分子育種的組培試驗等；隨機區(qū)組試驗設(shè)計應(yīng)用在育種的單因素試驗、多因素試驗、綜合性品比試驗等；拉丁方試驗設(shè)計適用于較少品種的比較，但對精確度要求較高的試驗；裂區(qū)試驗設(shè)計適用于已選育的品種的配套栽培措施相關(guān)試驗，品種一般為主因素，栽培措施為副因素。

作物育種首先要設(shè)置作物育種目標，在一定的自然、栽培和經(jīng)濟條件下，計劃選育的新品種應(yīng)具備的優(yōu)良特征特性，是對育成新品種在生物學和經(jīng)濟學性狀上的具體要求[1]。明確育種目標是育種成敗的關(guān)鍵，如高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗蟲、抗病、適宜機械化等育種目標，從原始材料、育種方法、適宜區(qū)域等開展田間試驗，每個育種環(huán)節(jié)都依靠田間試驗支撐，用科學試驗設(shè)計方法，才能選育出達到育種目標的新品種。

田間試驗設(shè)計貫穿作物育種各環(huán)節(jié)，但是不同的作物育種差異大，尤其是隨著經(jīng)濟作物種植的種類增多、面積的擴大，如中藥材，有根莖類、全草類、樹皮類、一年生或多年生藥材等；多年生的果樹、油茶、木本植物；葉類、根莖類、瓜果類等蔬菜，在育種中會遇到各種問題，問題的解決靠一線科研工作者的經(jīng)驗與探索，在作物育種中需要科研工作者不斷探討與研究，分享更好的應(yīng)用方法，推動作物育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展，保證我國高質(zhì)量農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。