基于GGE双标图分析新麦草种质部分性状的基因型-环境互作

王 恬， 云 岚,2*， 李 珍， 吕玉茹

(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010011； 2.草地资源教育部重点实验室， 内蒙古 呼和浩特 010011)

新麦草(Psathyrostachysjuncea(Fisch.) Nevski)是禾本科(Poaceae)多年生异花授粉牧草，原产于中亚和西伯利亚，分蘖能力良好，抗逆性强，对寒冷干旱气候适应性良好，广泛种植于新疆、西藏及内蒙古等地[1-2]。新麦草属短根茎下繁禾草，返青早、青绿期长、再生性强、抗寒、抗旱、利用年限长；耐盐碱，营养价值高，适口性良好，是既可放牧又可刈割的优良牧草[3-6]。常被用于生态环境修复和绿地建设，是北方地区生态建设的重要牧草[7-8]。

由于地理环境的不同，植物的农艺性状在生长的过程中会受到环境的影响，在不同试验环境中表现出不同的性状差异，因而难以客观评价。这是由基因型、环境及基因型与环境互作效应共同作用的结果。因此，需要通过多点试验来对种质材料进行鉴定。目前，常用的方法有AMMI模型和GGE双标图模型。AMMI模型虽然操作简单，但是存在一定的局限性，对品种和试验环境的区分能力较差，可靠性较低[9-10]。GGE双标图可以用图形直观的展示分析结果，近年来，已经在花生(ArachishypogaeaL.)[11-12]、玉米(ZeamaysL.)[13-14]、棉花(GossypiumherbaceumL.)[15]、小麦(TriticumaestivumL.)[16-17]、苜蓿(MedicagosativaL.)[18]等植物中广泛应用。Xu等[19]通过多年多点试验研究了基因型效应、年份和地点效应以及他们三者之间互作对棉花性状的影响，确定了各性状在不同环境下的差异以及适宜各品种棉花种植的地点。Carter等[20]研究了基因型、环境和基因型×环境互作对胞囊虫感染和非感染环境中生长的大豆(Glycinemax(Linn.) Merr.)种子异黄酮浓度的影响。孙宪印等[21]利用GGE双标图研究了小麦区域试验中品种与地点互作对产量的影响，分析对比了小麦品种的丰产性、稳定性，明确了不同环境适宜种植的小麦品种。Owusu等[22]明确了加纳地区多环境下基因型×环境互作对杂交玉米品种产量和稳定性的影响。柴继宽等[23]利用GGE双标图分析了5个试点8个燕麦(AvenasativaLinn)品种产量的稳定性和丰产性，明确了各品种适宜种植的地点。虽然目前已有一些新麦草遗传性和表型分析的研究[24-26]，但未见在多年多点环境下对新麦草性状的评价和分析研究，特别是缺乏运用GGE双标图模型对新麦草进行性状分析的报道。因此，本研究以21份新麦草种质建立的2个克隆群体为材料，在2地点进行连续3年性状评价，研究多年生禾草年际生长动态，揭示基因型、环境及基因型与环境互作效应对新麦草性状的影响，明确不同地点各性状的差异，确定不同地区适宜的种质，为新麦草种质改良及种植利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

共选取21份来源于不同国家和地区的新麦草种质材料(表1)作为实验材料，其中编号200801、200802两份材料来自内蒙古农业大学，其余19份由美国国家植物种质库(NPGS)提供。

表1 新麦草种质材料及来源Table 1 The collections and source countries of Psathrostachys juncea germplasms

1.2 试验设计

21份种质材料于2018年1月单株育苗，成苗后分株移栽成两个克隆群体，2019年6月分别单株种植于内蒙古呼和浩特和包头两个试验点(表2)，随机区组设计，行距60 cm，株距50 cm，每份材料30株，分别进行人工防除杂草和正常灌溉。

表2 2019—2021年试验点环境参数Table 2 2019—2021 General environmental parameters of the test sites

1.3 测定指标及方法

2019—2021年于春季和秋季对叶层高、株高、基丛径、冠幅、分蘖数、叶长等6个性状进行测定。叶层高：测量营养枝组成的叶层的自然高度。株高：测量植株伸展时地面至顶端的高度。基丛径：测量株丛基部外围周长。冠幅：测量处于自然状态的植株叶片向周边延伸的最大和最小直径，取平均值。分蘖数：植株的地面以下或近地面处所发生的分枝的个数。叶长：每株随机选取5枚叶片，测量叶基部到叶尖的长度，取平均值。

1.4 数据分析

利用Excel进行数据的初步处理，利用SAS 9.4进行方差分析，基因型与环境互作效应利用R语言GGEBiplotGUI包[27]进行分析并做图。

GGE模型被称为环境中心化的主成分分析，在原始数据中减去环境的平均值后将基因型在互作效应中进行奇异值分解[28]。GGE双标图是基于前两个主成分PC1和PC2，具体公式为：

具体公式为：

Yge=μ+βe+λ1γg1δe1+λ2γg2δe2+ρge+εge

其中，Yge是第g个基因型在第e个环境中的生长性状的测量值。μ是所有试点总体基因型的平均值，βe是环境e的均值。λ1，λ2是第1，2个主成分的奇异值，γg1，γg2是基因型g在第1，2个特征向量得分。δe1,δe2是环境e在第1，2个特征向量得分。ρge基因型g在环境e的残差，εge是总体误差。

2 结果与分析

2.1 不同环境下新麦草性状的比较

2019年至2021年在呼和浩特和包头2个试验点对21份新麦草部分性状进行描述性分析(表3)。结果表明，不同地区的不同年份对新麦草的叶层高、株高、冠幅、基丛径、分蘖数、叶长的影响具有显著性差异(P<0.05)。各性状在两试点均呈逐年增大趋势，叶层高、冠幅和叶长在2021年时，两地区未达到显著差异。不同环境中，分蘖数在基因型间的变异系数最大，均超过了33%，最大变异系数高达69.83%，出现在2019年包头；而叶长的变异系数最小，仅为15.60%，出现在2021年呼和浩特。表明各性状受环境影响较大，不同地区存在较大的差异。

2.2 新麦草部分性状方差分析

对新麦草性状进行联合方差分析(表4)，结果显示，6个性状在不同年份、不同试验区及不同种质材料间均存在显著差异(P<0.05)。单独环境效应下，除分蘖数在P<0.05水平下显著外，其它5个性状差异显著性均达P<0.01水平；其它效应下6个性状差异显著性均达到P<0.001水平。各效应因子中，基因型与年份效应的平方和占总处理平方和的比例最大，表明基因型与年份效应对新麦草表型有更大地影响。6个性状的基因型效应、基因型与环境、基因型与年份互作效应均达到显著水平，说明基因型效应在不同环境和不同生长年份均对新麦草的性状具有显著影响。

2.3 试验地区分力、代表性及相关性分析

试验地线段和平均环境轴(带箭头的线段，箭头位置为平均环境点)的角度可以判断环境的代表性，一般角度越小，代表性越强。对于叶层高(图1A)、株高(图1B)、冠幅(图1D)，两个地区中，与平均环境轴夹角较小的是呼和浩特，因此呼和浩特比包头具有代表性；而基丛径(图1C)、分蘖数(图1E)、叶长(图1F)则表现相反，包头比呼和浩特更具代表性。

表3 不同环境下新麦草部分性状描述性分析Table 3 Descriptive analysis on some traits of Psathyrostachys juncea in different environments

表4 新麦草部分性状方差分析Table 4 The variance analysis on some traits of Psathrostachys juncea

试验地对种质材料的区分能力可通过试验地线段的长度体现，线段越长，区分能力越强。6个性状区分力较好的均为包头。

各环境间的夹角可以看出试验地之间的相关性。夹角小于90度表示正相关，说明两环境对种质材料有相似的影响，大于90度表示负相关，表示两地的环境对种质材料的影响相反，等于90度说明两环境不相关。6个性状包头与呼和浩特的夹角均小于90度(图1)，表明两地点间有相关性。

2.4 试验地适应性分析

根据平均环境轴画同心圆，地点所处的圆越小，说明地点的适应性越好。由图2可知，对叶层高(图2A)，两地适应性程度相似；对株高(图2B)，适应性较好的试点是呼和浩特；其余4个性状，环境适应性较好的试点是包头。

2.5 基因型的生态区划分

将距离原点最远的基因型连接构成一个不规则多边形，以坐标原点为顶点对多边形每条边做垂线，形成不同的扇形区，多边形顶角的种质材料为该区的优良基因型。分组结果显示，对叶层高(图3A)，两试验地被分在同一生态区，优良基因型为502573；对株高(图3B)，两个试验地在两个不同的生态区，优良基因型显示，包头生态区的基因型是200801，呼和浩特生态区的是502573；对基丛径(图3C)，两试验地在同一生态区，优良基因型为595135；对冠幅(图3D)，两个试验地也被分在同一生态区，502577为优良基因型；对分蘖数(图3E)，两个试验地在两个不同的生态区，优良基因型显示，包头生态区的基因型是200802和502573，呼和浩特生态区的是272136；叶长(图3F)显示两试验地为同一生态区，优良基因型为619565。

图1 试验地点区分力和代表性 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，包头。数字1～21表示基因型，具体信息见表1。GGE双标图分别为A，叶层高；B，株高；C，基丛径；D，冠幅；E，分蘖数；F，叶长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

图2 试验地适应性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，包头。数字1～21表示基因型，具体信息见表1。GGE双标图分别为A，叶层高；B，株高；C，基丛径；D，冠幅；E，分蘖数；F，叶长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

图3 基因型适应性分析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，包头。数字1～21表示基因型，具体信息见表1。GGE双标图分别为A，叶层高；B，株高；C，基丛径；D，冠幅；E，分蘖数；F，叶长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 基因型稳定性分析

对于所测定的性状，用与箭头距离的远近表示生长量的大小，越靠近箭头的基因型生长量越高，越远离箭头的种质，生长量最低；以平均环境轴为基准做垂直虚线，距离越短表示生长量越稳定。由图4可知，对叶层高(图4A)，502573生长量是最高的，其次是598614,531827,476299,502572，5个种质材料中稳定性较好的前3个基因型为598614,476299,502572，它们靠近平均轴。最不稳定的基因型是565052，生长量最低的基因型是565052，综合分析，598614是生长量高又稳定的基因型；对株高(图4B)，生长量最高的是502573，其次是619565,200801,502572,565051，其中稳定性较好的前3个基因型为565051,619565,502572，最不稳定的是200802，生长量最低的是565052，综合分析，619565是高生长量又稳定的种质材料；对基丛径(图4C)，生长量排名较前的是502573,598614,531827，其稳定性均处于较低水平，而稳定性排名较前的是502576,565060,531826，但生长量均低于平均生长量，最不稳定的是595135，生长量最低的是565052；冠幅(图4D)生长量较好的是502573,502577,502572,565051,598610，稳定性排名依次为502572,565051,598610,502573,502577，最不稳定及生长量最低的是476299，综合分析，502572是高生长量又稳定的基因型；对分蘖数(图4E)，502573生长量最高，其次是595135,619565,200802,502577，其中稳定性较好的材料是502577,619565,595135，最不稳定的是565051，生长量最低的是565052，经分析可知，619565是高生长量又稳定的种质材料；对叶长(图4F)，生长量较高的是598610,531827,502573,502572,598614，较为稳定的为598610,502572,531827，最不稳定的是476299，生长量最低的是531828，通过分析，高生长量又稳定的种质材料为598610。

图4 基因型稳定性分析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，包头。数字1～21表示基因型，具体信息见表1。GGE双标图分别为A，叶层高；B，株高；C，基丛径；D，冠幅；E，分蘖数；F，叶长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 讨论

新麦草既是一种饲用牧草，也是重要的生态草种。选育适应不同区域种植的种质材料对于新麦草的利用和生产极为重要。前期研究表明，分蘖数等6个性状是与地上生物量显著相关的重要性状，因此，分析这些性状的各种表现可以为新麦草培育提供科学的指导。本研究通过对21份材料分析表明，6个性状变异幅度都比较大，变异幅度最大的是分蘖数，变异系数达69.83%，叶长的变异幅度最小，为15.60%。范亚坤等[25]对新麦草饲草产量相关农艺性状进行了分析，结果表明各性状间均存在较大的变异幅度，变异系数最大的性状是生殖枝数和营养枝数。本研究6个性状中分蘖数的变异幅度最大，是因为分蘖是一种复杂的发育性状，其形成极易受到遗传和环境的影响，本研究中供试的材料来源广泛，具有较远的遗传距离，可能是导致该性状变异幅度较大的原因。此外，方差分析结果表明，两地区3年度各性状均达到差异显著水平，表明除种质材料基因型效应外，种质材料对环境的适应性不同，外界因素对不同性状表现出不同的影响，与前人研究结果相似[18,29]。对于新麦草，在适宜的生长年限内，随着种植年限的延长，各性状数值均呈现上升趋势，因而表现出年份对其生长发育具有极大的影响。

基因型和环境对植物性状的影响一直是育种面临的问题[30-31]，大多数性状受环境和遗传因素共同影响[32-33]。由于存在基因型与环境的相互作用，使得环境成为植物生长发育的重要影响因素，普通的数据分析方法不能直观准确地体现出品种与环境的关联，可选用GGE双标图模型来进行多地点试验的比较分析，该模型可以直观地表达出品种和环境的关系，从而找到理想的种植品种[34-35]。GGE双标图作为一种有效准确的分析模型，已经在多种植物中广泛应用[36-38]。因此，综合评价新麦草主要农艺性状在不同种植环境下的遗传稳定性，可以为筛选具有广泛适应性、性状优良的种质提供参考。

本研究中大部分性状包头地区优于呼和浩特，可能是因为两地实际环境存在一定的差异，从试验地环境参数可以看出，包头有效日照时数明显高于呼和浩特，而光是植物进行光合作用的决定因素，影响着植物的形态结构[39]，充足的光照时数是促进新麦草生长发育的有利条件，可能是导致包头地区供试材料表现较好的原因之一。植物性状的基因型与环境互作模式比较复杂，因此有必要进行进一步的分析，选择表现稳定、性状优良的种质材料与地点，以期对新麦草种植起到指导作用。利用GGE双标图对21份种质材料的6个性状进行分析，筛选出了不同性状对环境的适应情况及各地区适宜种植的种质材料。其中，叶层高在两试验地的适应程度相似，且两地均适宜种植的是598614。株高在呼和浩特的表现优于包头，呼和浩特是较为理想的种植地，适宜种质是619565。对基丛径和冠幅，两试验地相比，包头的适应性较好，可选择502572进行种植。要得到分蘖数最多且稳定的种质材料可将619565种植于包头。而对于叶长，598610可作为最适种质材料种植于包头。叶层高和叶长性状生长量高且较为稳定的材料598610和598614来源于哈萨克斯坦，株高和分蘖数性状表现较好的材料619565来源于蒙古，可能是由于这两个国家均毗邻中国，且与试验地点纬度相近、气候特点相似，均属大陆季风气候，种质材料更适应干旱气候条件，从具有相似气候条件的地区引种材料，这些材料适应性更强，因此性状变异也较小。研究发现，除叶长外，其他性状生长量最高的种质材料都为502573，但其表现不够稳定，可作为候选优异种质资源和改良某些重要性状的育种材料。可能是因为该材料为野生驯化种质，本身遗传变异性较强，且其来源于更高纬度的前苏联地区，与试验地点距离较远，气候差异较大，在引进本地后未完全适应当地的地理环境和气候。同时也发现，性状高生长量和稳定性之间存在一定的差异性。陈彩锦等人[18]在对苜蓿丰产性和稳定性的分析中也得到了相似结论。

本研究对象新麦草为异花授粉多年生植物，限于研究材料的性质仅在两地开展试验，对部分性状生长状况进行了多年连续比较分析，后续还需进行进一步的验证，综合分析产量、抗逆性等多个指标，为新麦草因地制宜利用提供较为全面的理论依据。

4 结论

通过研究得出，新麦草6个性状中变异幅度最大的是分蘖数，叶长的变异幅度最小。方差分析表明，与其它效应相比，基因型与年份效应对新麦草的表型有更大地影响。GGE双标图模型分析结果显示，叶层最高且稳定的种质材料是598614，株高较高且相对稳定的种质材料是619565，基丛径最大的种质材料是502573，但稳定性最好的是502572，冠幅最大且稳定的种质材料是502572，分蘖数最多且稳定的种质材料是619565，叶长最长且稳定的种质材料是598610。综合区分力和适应性，比较理想的试点是包头。通过基因与环境互作效应分析，筛选出了不同种植需求下适宜种植的新麦草种质材料，为新麦草品种选育提供参考依据。