基于GGE雙標圖分析新麥草種質部分性狀的基因型-環(huán)境互作

王 恬， 云 嵐,2*， 李 珍， 呂玉茹

(1.內蒙古農業(yè)大學草原與資源環(huán)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(yǎng)價值高，適口性良好，是既可放牧又可刈割的優(yōu)良牧草[3-6]。常被用于生態(tài)環(huán)境修復和綠地建設，是北方地區(qū)生態(tài)建設的重要牧草[7-8]。

由于地理環(huán)境的不同，植物的農藝性狀在生長的過程中會受到環(huán)境的影響，在不同試驗環(huán)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(huán)境及基因型與環(huán)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(huán)境的區(qū)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(huán)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(huán)境和基因型×環(huán)境互作對胞囊蟲感染和非感染環(huán)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(qū)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(wěn)定性，明確了不同環(huán)境適宜種植的小麥品種。Owusu等[22]明確了加納地區(qū)多環(huán)境下基因型×環(huán)境互作對雜交玉米品種產量和穩(wěn)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(wěn)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(huán)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(xù)3年性狀評價，研究多年生禾草年際生長動態(tài)，揭示基因型、環(huán)境及基因型與環(huán)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(qū)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(qū)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(yè)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(qū)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(huán)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(yǎng)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?；鶇矎剑簻y量株叢基部外圍周長。冠幅：測量處于自然狀態(tài)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(fā)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(huán)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(huán)境中心化的主成分分析，在原始數據中減去環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)境e在第1，2個特征向量得分。ρge基因型g在環(huán)境e的殘差，εge是總體誤差。

2 結果與分析

2.1 不同環(huán)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(qū)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(qū)未達到顯著差異。不同環(huán)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(huán)境影響較大，不同地區(qū)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(qū)及不同種質材料間均存在顯著差異(P<0.05)。單獨環(huán)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(huán)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(huán)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(qū)分力、代表性及相關性分析

試驗地線段和平均環(huán)境軸(帶箭頭的線段，箭頭位置為平均環(huán)境點)的角度可以判斷環(huán)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(qū)中，與平均環(huán)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(huán)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(qū)分能力可通過試驗地線段的長度體現，線段越長，區(qū)分能力越強。6個性狀區(qū)分力較好的均為包頭。

各環(huán)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(huán)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(huán)境對種質材料的影響相反，等于90度說明兩環(huán)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(huán)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(huán)境適應性較好的試點是包頭。

2.5 基因型的生態(tài)區(qū)劃分

將距離原點最遠的基因型連接構成一個不規(guī)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(qū)，多邊形頂角的種質材料為該區(qū)的優(yōu)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(tài)區(qū)，優(yōu)良基因型為502573；對株高(圖3B)，兩個試驗地在兩個不同的生態(tài)區(qū)，優(yōu)良基因型顯示，包頭生態(tài)區(qū)的基因型是200801，呼和浩特生態(tài)區(qū)的是502573；對基叢徑(圖3C)，兩試驗地在同一生態(tài)區(qū)，優(yōu)良基因型為595135；對冠幅(圖3D)，兩個試驗地也被分在同一生態(tài)區(qū)，502577為優(yōu)良基因型；對分蘗數(圖3E)，兩個試驗地在兩個不同的生態(tài)區(qū)，優(yōu)良基因型顯示，包頭生態(tài)區(qū)的基因型是200802和502573，呼和浩特生態(tài)區(qū)的是272136；葉長(圖3F)顯示兩試驗地為同一生態(tài)區(qū)，優(yōu)良基因型為619565。

圖1 試驗地點區(qū)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(wěn)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(huán)境軸為基準做垂直虛線，距離越短表示生長量越穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)定性較好的前3個基因型為565051,619565,502572，最不穩(wěn)定的是200802，生長量最低的是565052，綜合分析，619565是高生長量又穩(wěn)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(wěn)定性均處于較低水平，而穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定性排名依次為502572,565051,598610,502573,502577，最不穩(wěn)定及生長量最低的是476299，綜合分析，502572是高生長量又穩(wěn)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(wěn)定性較好的材料是502577,619565,595135，最不穩(wěn)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(wěn)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(wěn)定的為598610,502572,531827，最不穩(wěn)定的是476299，生長量最低的是531828，通過分析，高生長量又穩(wěn)定的種質材料為598610。

圖4 基因型穩(wěn)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(tài)草種。選育適應不同區(qū)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(yǎng)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(fā)育性狀，其形成極易受到遺傳和環(huán)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(qū)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(huán)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(fā)育具有極大的影響。

基因型和環(huán)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(huán)境和遺傳因素共同影響[32-33]。由于存在基因型與環(huán)境的相互作用，使得環(huán)境成為植物生長發(fā)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(huán)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(huán)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(huán)境下的遺傳穩(wěn)定性，可以為篩選具有廣泛適應性、性狀優(yōu)良的種質提供參考。

本研究中大部分性狀包頭地區(qū)優(yōu)于呼和浩特，可能是因為兩地實際環(huán)境存在一定的差異，從試驗地環(huán)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(tài)結構[39]，充足的光照時數是促進新麥草生長發(fā)育的有利條件，可能是導致包頭地區(qū)供試材料表現較好的原因之一。植物性狀的基因型與環(huán)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(wěn)定、性狀優(yōu)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(huán)境的適應情況及各地區(qū)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(yōu)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(wěn)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(wěn)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(qū)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(fā)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(wěn)定，可作為候選優(yōu)異種質資源和改良某些重要性狀的育種材料?？赡苁且驗樵摬牧蠟橐吧Z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(qū)，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(huán)境和氣候。同時也發(fā)現，性狀高生長量和穩(wěn)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(wěn)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(xù)比較分析，后續(xù)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(wěn)定的種質材料是598614，株高較高且相對穩(wěn)定的種質材料是619565，基叢徑最大的種質材料是502573，但穩(wěn)定性最好的是502572，冠幅最大且穩(wěn)定的種質材料是502572，分蘗數最多且穩(wěn)定的種質材料是619565，葉長最長且穩(wěn)定的種質材料是598610。綜合區(qū)分力和適應性，比較理想的試點是包頭。通過基因與環(huán)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。