基于云南玉米雜交種測試的性狀多樣性及相關性分析

姚宗澤，楊艷，王世敏，劉艷芳

（1.云南省農業(yè)科學院質量標準與檢測技術研究所，云南 昆明 650205；2.昭通學院農學與生命科學學院，云南 昭通 657000）

【研究意義】玉米（Zea maysL.）是世界上最重要的糧食作物之一，我國玉米常年種植面積和總產量均排在糧食作物的第一位。玉米雜交種具有高產、高抗、優(yōu)質等特征，深受人們喜愛，在國家糧食安全中發(fā)揮著重要作用［1］。在云南，玉米有著悠久的栽培歷史［2］，也正是由于玉米能適應云南多樣性的地理環(huán)境和各種氣候類型，滿足當地生產［3］，云南成為我國重要的玉米生產區(qū)。近年來，云南玉米播種面積和產量均占全國前十位。在玉米生產過程中，種子是獲得高產、穩(wěn)產和優(yōu)質的關鍵基礎［4］，也是假冒套牌、侵權糾紛的主要根源［5］。為保護育種創(chuàng)新，我國于2000年實施植物新品種保護制度，玉米列入我國第一批植物新品種保護名錄。2022 年3 月1 日，新修訂的《種子法》［6］將植物品種權保護環(huán)節(jié)由原來的“生產、繁殖、銷售”擴大為“生產、繁殖和為繁殖而進行處理、許諾銷售、銷售、進口、出口以及為實施上述行為儲存該授權品種的繁殖材料”，將保護范圍由原來的“繁殖材料”延伸至“繁殖材料和收獲材料”，將賠償數額上限、限額由原來的“三倍、300 萬”增加到“五倍、500萬”。通過保護環(huán)節(jié)、保護范圍和賠償金額三方面進一步加大對植物新品種權的保護。更為重要的是，新《種子法》建立了實質性派生品種制度，即確定為實質性派生的品種在后期生產銷售過程中，需向其原始品種支付費用。根據我國植物新品種保護制度，申請品種權的玉米品種須進行DUS 測試［7］。DUS 測試采用測試指南中列出的性狀對申請品種和近似品種進行測定，綜合申請品種和近似品種在各性狀上表達狀態(tài)，得出申請品種是否具備特異性，即是否新品種的結論［8］。DUS 測試性狀通常是表型性狀，包含質量性狀、假質量性狀和數量性狀。鑒于數量性狀通常由多基因控制，呈現一維、連續(xù)的表達狀態(tài)，且容易受環(huán)境影響，一般認為當申請品種和近似品種在兩個以上數量性狀上有區(qū)別且僅在數量性狀上有區(qū)別時，可判定申請品種具備特異性［9］。因此，不同于常規(guī)表型性狀，DUS 測試性狀在品種區(qū)分判定上具有特殊要求，隨著實質性派生品種制度的建立，該要求愈發(fā)突出。【前人研究進展】國內外開展了大量玉米表型性狀的研究，在水稻［10］、大豆［11］、黃瓜［12］、辣椒等［13-14］作物多樣性研究上也有大量報道。譚禾平等［15］以國內18 個省市收集的115 個糯玉米品種為研究材料，測試了9 個農藝性狀，對其進行相關分析和多樣性分析，結果表明，有10 對農藝性狀間存在極顯著相關關系，6對存在顯著相關關系。陳海榮等［16］利用DUS 測試指南中的36 個性狀對53 份玉米標準品種進行形態(tài)性狀多樣性分析，結果檢測到193個等位變異，平均每個性狀檢測到5.3611 個，有效等位變異平均為3.5756 個，平均Shannon-Weaver 多樣性指數為1.3094。盧柏山等［17］利用DUS 測試中的47 個性狀對15 份普通玉米自交系和13 份糯玉米骨干自交系進行研究，47 個性狀的Shannon-Weaver 多樣性指數存在較大差異。劉玄等［18］以5 個玉米雜交組合在7 個試點的11 個性狀為研究對象，對各個性狀進行描述性統(tǒng)計、相關性分析以及頻率分析，得出生育期與單穗粒重達到顯著負相關水平，株高與穗位高達到極顯著正相關水平，穗長與穗粗和單穗粒重均達極顯著正相關，與禿尖達顯著正相關，穗行數與百粒重達顯著負相關，產量與株高和穗位高呈顯著正相關結論。馮素芬等［19］對云南省2016—2020 年審定的18 個鮮食玉米品種進行生育期、產量、品質性狀和抗病性等分析，認為參試品種的性狀表現存在一定差異?！颈狙芯壳腥朦c】已報道的相關研究大多圍繞產量、品質相關的表型性狀，圍繞DUS 測試性狀的研究主要使用測試指南標準品種［16］、自交系［17］和鮮食玉米［15,19］等材料，以雜交種為材料，圍繞DUS 測試性狀開展的研究較少，特別是DUS 測試性狀在高原低緯地區(qū)玉米雜交種上應用的研究鮮有報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究以2020—2021 年進行玉米DUS 測試的云南育成的雜交種為材料，對38 個DUS 測試性狀進行多樣性分析和相關性分析。為評價當前DUS 測試性狀在雜交種區(qū)分鑒定上的應用提供基礎數據，為實質性派生品種制度在玉米DUS 測試上的落地實施提供前期基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2020 年和2021 年在農業(yè)農村部植物新品種DUS 測試（昆明）分中心完成測試的89 個玉米雜交種，均為云南地區(qū)育成的單交種，以編號V01～V89 代替品種名稱，適宜在云南、貴州等西南高原低緯玉米種植區(qū)中海拔區(qū)域種植。根據種植區(qū)的具體海拔和氣候條件，可春播或夏播，對栽培條件和管理措施無特殊要求。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間設計 2020 年4 月至2021 年11 月，在農業(yè)農村部植物新品種DUS 測試（昆明）分中心測試基地進行兩個周期的田間測試。試驗采用隨機區(qū)組設計，單行種植，株距0.3 m，行距0.6 m，行長3.0 m，每個小區(qū)種4 行，種植密度為55 583株/hm2，設兩個重復，田間管理與大田種植管理一致。

1.2.2 性狀調查 性狀調查方法、時期及每個性狀表達狀態(tài)的賦值方法嚴格按照玉米DUS 測試指南（GB/T 19557.24-2018）［20］要求進行，測試性狀共38 個（表1），其中目測性狀26 個（Tra.1～Tra.26），測量性狀12 個（Tra.27～Tra.38）。

表1 38 個測試性狀名稱及編號Table 1 Names and numbers of 38 testing traits

1.3 數據分析

1.3.1 多樣性分析 以Shannon-Weaver 多樣性指數為指標，采用PopGen32 軟件分析性狀多樣性［21］。Shannon-Weaver 多樣性指數計算公式為：

式中，I為多樣性指數，Pij為某個性狀某個代碼出現的概率，i為性狀編號，j為性狀表達水平代碼。

1.3.2 相關性分析 利用SPSS19.0 軟件，分別計算26 個目測性狀和12 個測量性狀之間的相關系數，分析其相關性。

1.3.3 品種聚類分析 利用NTSYSpc 2.10e 軟件中的SM 法計算遺傳相似系數，采用SAHN Clustering 和非加權組平均法（Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean，UPGMA）進行聚類分析，繪制玉米品種遺傳聚類系統(tǒng)樹［22］。

2 結果與分析

2.1 玉米雜交種測試性狀多樣性分析

由表2 可知，38 個性狀在89 個玉米雜交種中檢測到191 個表達狀態(tài)，平均每個性狀檢測到5.0263 個，變幅為2～8 個；平均有效表達狀態(tài)為2.8217 個，變幅為1.0227～6.0697 個；38 個性狀平均Shannon-Weaver 多樣性指數為1.0669，變幅為0.0616～1.9069，可見不同性狀的多樣性表現差異較大。其中，葉片綠色程度（Tra.3）、葉片邊緣花青甙顯色（Tra.8）、莖稈“之”字形程度（Tra.17）、果穗形狀（Tra.21）4 個性狀在89 個玉米品種中均只出現2 種表達狀態(tài)，有效表達狀態(tài)數和Shannon-Weaver 多樣性指數較低；雄穗花藥花青甙顯色強度（Tra.10）、雄穗穎尖花青甙顯色強度（Tra.13）、雄穗側枝彎曲程度（Tra.16）、莖稈支持根花青甙顯色強度（Tra.18）在89 個玉米品種中均出現8 個表達狀態(tài)，有效表達狀態(tài)數和Shannon-Weaver 多樣性指數較高。

表2 89 個玉米雜交種38 個測試性狀的多樣性分析Table 2 Diversity analysis of 38 testing traits in 89 maize hybrids

2.2 玉米雜交種測試性狀相關性分析

由表3 可知，26 個目測性狀中，多對性狀間存在顯著或極顯著相關關系。其中，散粉期（Tra.4）與抽絲期（Tra.5）、雄穗穎片基部花青甙顯色強度（Tra.12）與雄穗穎片中部花青甙顯色強度（Tra.14）、雄穗穎尖花青甙顯色強度（Tra.13）與雄穗穎片中部花青甙顯色強度（Tra.14）、雄穗側枝與主軸夾角（Tra.15）與雄穗側枝彎曲程度（Tra.16）、籽粒頂端主要顏色（Tra.23）與籽粒背面主要顏色（Tra.24）這5 對性狀之間存在極顯著正相關，且相關系數均較高，分別為0.94、0.57、0.62、0.53、0.78。

由表4 可知，12 個測量性狀中，雄穗最低位側枝以上主軸長度（Tra.27）與雄穗最高位側枝以上主軸長度（Tra.28）、雄穗最低位側枝以上主軸長度（Tra.27）與雄穗側枝長度（Tra.30）、雄穗最高位側枝以上主軸長度（Tra.28）與雄穗側枝長度（Tra.30）、雄穗最高位側枝以上主軸長度（Tra.28）與葉片長度（Tra.31）、植株穗位高度（Tra.33）與植株高度（Tra.34）、植株穗位高度（Tra.33）與穗位高/ 株高比率（Tra.35）、果穗直徑（Tra.37）與果穗穗行數（Tra.38）這7對性狀之間存在極顯著正相關，且相關系數均較高，分別為0.84、0.73、0.51、0.50、0.67、0.90、0.55。

表4 89 個玉米雜交種12 個測量性狀間的相關性分析Table 4 Correlation analysis of 12 measured traits in 89 maize hybrids

2.3 玉米雜交種聚類分析

由圖1 可知，品種間相似系數為0.24～0.53。其中，在相似系數0.296 位置，可以將89 個玉米品種劃分為5大類群，分別包括1、1、2、81、4個品種，分別占調查品種1.1%、1.1%、2.2%、91.1%、4.5%，以第Ⅳ類群品種數量遠遠超過其他類群。

圖1 89 個玉米雜交種的形態(tài)性狀聚類結果Fig.1 Clustering results of morphological traits in 89 maize hybrids

3 討論

3.1 品種間的性狀多樣性分析

與陳海榮等［16］利用DUS 測試指南36 個測試性狀對53 份玉米標準品種進行性狀多樣性分析的結果相比，本研究基于89 個玉米雜交種的38個測試性狀多樣性相關指數略微低于標準品種的參數，89 個品種間的相似系數為0.24～0.53，最大相似系數較陳海榮等［16］和盧柏山等［17］的研究結果要低，不僅表明本研究使用的89 個雜交種多樣性較好，品種間的差異大，還表明玉米DUS 測試指南性狀在雜交種中多態(tài)性高，區(qū)分力強。本研究中，聚類劃分的5 大類群中，第Ⅳ類群包含了81 個品種，表明第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ 4 個類群間及其與第Ⅳ類群間存在較遠的親緣關系，這4 個類群品種差異明顯；第Ⅳ類群雖然包含81 個品種，但在該類群中最相近的兩個品種間的相似系數也非常低（0.53），進一步表明89 個品種多樣性較好，品種間差異大。徐曉美等［23］對96 份辣椒種質材料進行遺傳多樣性分析時發(fā)現辣椒來源豐富，但存在同質材料，建議在種質保存時可以適當舍棄部分同質材料。從本研究結果來看，該89 個玉米品種間遺傳差異大，同質化不突出。

3.2 測試性狀間的相關性分析

相關性分析結果顯示，本研究38 個測試性狀中有12 對性狀間存在極顯著正相關關系，表明這12 對性狀在遺傳上存在不同程度連鎖關系。目測性狀中有5 對性狀間呈極顯著正相關且相關系數較高，分別為0.94、0.57、0.62、0.53、0.78，與姚宗澤等［24］之前的研究結果一致；測量性狀中有7 對性狀間呈極顯著正相關關系，相關系數分別為0.84、0.73、0.51、0.50、0.67、0.90、0.55，這與前人研究結果也相吻合［16-17］。其中，散粉期（Tra.4）與抽絲期（Tra.5）、植株穗位高度（Tra.33）與穗位高/株高比率（Tra.35）間的相關系數分別為0.94、0.90，均高于之前許多研究結果［16,18,24］。

3.3 相關性顯著的性狀在特異性及實質性判定中的應用

品種DUS 測試特異性判定時，如果測試品種和近似品種間的差異僅體現在數量性狀上，通常要求品種間至少在兩個以上數量性狀上具有差異才判定為品種具備特異性［9］。因此，特異性判定時需充分考慮上述數量性狀相關性。根據性狀間的相關性分析，當兩個性狀間存在極顯著正相關關系時，特異性判定標準應上調，這樣可以使特異性判定結果更加客觀、科學。此外，2022 年新修訂《種子法》建立了實質性派生品種制度［7］。實質性派生品種和原始品種除派生過程產生的差異外，受原始品種的基因型或基因型組合控制的基本性狀表達與原始品種相同?？梢姡誀铋g相關性也是判定實質性派生品種及其原始品種的重要考慮因素。

4 結論

本研究結果表明，38 個DUS 測試性狀在玉米雜交種中的表達狀態(tài)豐富、多態(tài)性好，89 個雜交玉米品種間的相似系數較低，品種多樣性較好，品種間差異大，同質化程度不突出。本研究的38個測試性狀中有12 對性狀間存在極顯著正相關關系，表明這12 對性狀在遺傳上存在不同程度連鎖關系，后期研究可以進一步深入挖掘和探索它們之間的連鎖效應。在當前的品種DUS 測試特異性判定和未來落實實質性派生品種制度上，厘清測試性狀間的相關性程度尤其重要。當兩個性狀間存在極顯著正相關時，特異性判定標準應上調，權重適當降低，這樣可以使特異性判定結果更加客觀、科學。同時，也為實質性派生品種判定標準的設定提供前期數據。