基于DUS测试的玉米标准品种在贵州地区的表达差异及多样性分析

李 娟， 孔德章， 焦爱霞， 周欢欢， 莫远琪，韦启迪， 张丽娜， 霍可以

(1.农业农村部植物新品种测试(贵阳)分中心， 贵阳 550006；2.贵州省农业科学院农作物品种资源研究所， 贵阳 550006)

植物的特异性(Distinctness)、一致性(Uniformity)、稳定性(Stability)测试简称为DUS测试[1]。DUS三性是植物品种的基本属性。长期以来，DUS测试是植物品种权授权[2]的重要依据，2016年《中华人民共和国种子法》颁布实施以后，DUS测试已成为主要农作物审定、非主要农作物登记、植物新品种认定以及植物品种维权执法等的必要程序和重要手段。

标准品种是植物品种DUS测试过程中用于性状表达状态判定的参照品种[3],标准品种性状表达的准确性及对不同测试环境的适应性与测试结果的准确性、客观性有直接关系。玉米是重要的粮食、饲料及燃料原料，玉米对于人类的生产生活意义重大。玉米DUS测试为玉米品种授权与审定、品种权维权执法提供依据。我国玉米种植区域较多，生态类型丰富多样，为鉴定玉米标准品种的适应性与表达状态的稳定性，部分研究者已在云南、黑龙江、广东、内蒙古等地进行了玉米标准品种表达差异与形态多样性分析[4-7]，但目前尚未见针对贵州地区玉米标准品种表达差异与多样性研究的相关报道。基于此，本研究通过对贵州2018—2019年连续2年玉米的DUS测试中所种植的标准品种进行观测、性状描述及数据统计分析，利用符合系数法对各标准品种、各性状在贵州的实际表现与其在《农业植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 玉米》[8](2018版)中对应的表达状态与分级差异进行比较，从而评价标准品种在贵州地区的适应性与性状表达的准确性，分析其形态多样性，以期为贵州地区的玉米DUS测试性状的判定与代码分级提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料由农业农村部科技发展中心植物新品种测试中心提供，为《农业植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 玉米》(2018版)中的标准品种(表1)。

表1 供试材料

1.2 试验设计

试验于2018—2019年在农业农村部植物新品种测试贵阳分中心实验基地内进行。试验采用随机区组设计，设2次重复，4行区，行距70 cm，行长2.5 m，株距25 cm，小区面积10 m2。分别于当年5月18日播种，田间管理同大田生产。

1.3 性状调查

本研究调查的性状为玉米DUS测试指南(2018版)中列出的必测性状(表2)。其中，性状35～38仅适用于甜玉米测试，性状44仅适用于爆裂玉米的测试，故不进行调查与统计分析。根据测试指南规定的观测时期与观测方法开展性状观测，其中个体测量(MS)性状每小区随机选取20株植株进行数据测量。

表2 测试性状与类型

1.4 数据分析

1.4.1符合系数分析

根据标准品种的实际表达状态与《测试指南》中代码的差异，计算标准品种的符合系数，并采用符合系数分析评价标准品种在贵州地区的表达状态的准确性。某品种(或性状)的符合系数=1-∑[某标准品种(或性状)的指南代码-其实测代码]2/(其指南代码平均×100)[4]。

1.4.2多样性分析

所有性状均按照玉米DUS测试指南(2018版)中列出的表达状态分为不同级别，数量性状分级按照郝彩环等[9]的分级方法进行。每个品种在各性状的表达状态对应的级别标记为1，其他未表达的级别标记为0，构建原始数据矩阵。采用PopGen 32软件分析39个性状的等位变异数目(na)、有效等位变异数目(ne)及Shannon-Weaver多样性指数(H)。Shannon-Weaver多样性指数的计算公式[10]为：H=-∑Piln(Pi),式中Pi为某个性状第i个代码出现的概率。

1.4.3聚类分析

通过多变量分析系统NTSYSpc 2.10[11]统计软件中的SM法计算遗传相似系数，然后根据相似系数按照UPMGA法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 玉米DUS测试标准品种表现差异性分析

由符合系数的计算公式可知，其值在0～1之间。符合系数越大，则实际表达状态与测试指南中表征的值差异越小，数值为1表示实际观测的值与测试指南中的值完全一致。如表3所示，36个标准品种中，符合系数在0.95以上的30个，占所有标准品种的83.3%。获白、DH 14、C 8605-2、X 178、4 F 1等5个标准品种的符合系数为1，即与测试指南上表征的性状表达完全相符，说明这5个品种所代表性状的表达状态比较稳定，受环境的影响较小，在贵州地区可以继续作为测试标准品种。有3个标准品种的符合系数在0.9以下，分别是黄C(0.81)、Mo 17(0.853)、黄早四(0.854)。Mo 17是育种家从美国引进的优良自交系，是Lancaster群的代表系，于20世纪七八十年代在我国玉米育种中发挥了重要作用。至今为止，Mo 17仍然是玉米遗传背景研究以及分子生物学研究的重要材料。Mo 17在玉米DUS测试指南中代表了24个必测性状的不同表达状态。黄早四作为我国优异地方种质创新的代表，是玉米育种中利用率最高的自交系。在玉米DUS测试指南中，黄早四代表了19个性状的不同表达状态，也是表征性状最多的标准品种之一。3个标准品种符合系数在0.9～0.95之间，分别是丹玉13(0.923)、铁7922(0.935)、掖单13(0.94)。

表3 玉米DUS测试标准品种的符合系数

2.2 玉米DUS测试性状差异性分析

由表4可知，在贵州地区，测试指南性状符合系数在0.95以上的性状有30个，占测试性状的76.9%。有4个性状的符合系数为1，分别是性状2(幼苗：第一叶鞘花青甙显色强度)、性状8(叶片：边缘花青甙显色)、性状15(雄穗：侧枝与主轴夹角)、性状34(果穗：籽粒颜色数量)，说明这些性状在不同地点间其标准品种的表达均较稳定。有两个性状的符合系数在0.9以下，分别是性状17(雄穗：最低位侧枝以上主轴长度)与性状18(雄穗：最高位侧枝以上主轴长度)，均为雄穗性状。有7个性状的符合系数在0.95以下，依次为性状6(植株：上部叶片与茎秆夹角)、性状24(叶片宽度)、性状26(植株：穗位高度)、性状27(植株：高度)、性状28(植株：穗位高与株高比率)、性状30(果穗：长度)、性状31(果穗：直径)。质量性状的平均符合系数为1；假质量性状的平均符合系数为0.982；数量性状的平均符合系数为0.967。符合系数低于0.95的性状，全部为数量性状，可见这些数量性状在不同的生态环境下变化较大。

表4 玉米DUS测试性状的符合系数

2.3 玉米标准品种的形态性状多样性分析

本研究基于39个DUS测试性状对36份玉米标准品种的形态多样性进行统计，分析各性状的等位变异数目、有效等位变异数目及Shannon-Weaver多样性指数，结果如表5所示。39个测试性状在36份标准品种中共检测到199个等位变异，变异幅度介于1～9之间，平均每个性状为5.103个；其有效等位变异数变幅介于1～6.694之间，平均为3.282；39个测试性状的Shannon-Weaver多样性指数变幅介于0～2.008之间，平均为1.234。

表5 36份玉米标准品种39个形态性状的多样性统计

等位变异数目在7以上的性状有8个，分别是性状2(幼苗：第一叶鞘花青甙显色强度)、性状6(植株：上部叶片与茎秆夹角)、性状9(雌穗：花丝花青甙显色强度)、性状10(雄穗：花药花青甙显色强度)、性状13(雄穗：颖尖花青甙显色强度)、性状14(雄穗：颖片中部花青甙显色强度)、性状22(茎秆：支持根花青甙显色强度)及性状30(果穗：长度)，其中，性状9(雌穗：花丝花青甙显色强度)与性状13(雄穗：颖尖花青甙显色强度)、性状22(茎秆：支持根花青甙显色强度)的等位变异数及多样性均较高。性状34(果穗：籽粒颜色数量)等位变异数及有效等位变异数均为1，Shannon-Weaver多样性指数为0，说明该性状在36个玉米标准品种间没有多样性。

2.4 聚类分析

对36份玉米标准品种进行聚类(UPGMA法)分析(图1)。结果显示，通过玉米DUS测试的39个测试性状对36份标准品种进行描述，其形态相似系数在0.64～0.84之间。当相似系数为0.76时，标准品种划分为12个类群；相似系数为0.78时，可将标准品种划分为20个类群；相似系数为0.81时，36份标准品种划分为31个类群，其中，P 138与齐319、8902与齐318、掖478、黄早四的相似系数均较高，被划分到同一类群。

图1 基于DUS测试性状的36份玉米标准品种聚类分析

3 结论与讨论

标准品种获白、C 8605-2的符合系数为1，这与张建华等[4]、解艳华[5]、徐振江等[6]的研究结果一致，说明这些标准品种在我国复杂多样的生态条件下仍然有很好的适应性与表达状态的稳定性。黄C在前人的研究中符合系数均较高[4-6]，而在贵州地区符合系数较低，可能是由于黄C代表两个数量性状(性状17.雄穗：最低位侧枝到主轴长度与性状18.雄穗：最高位侧枝到主轴长度)的实测代码是基于贵州地区所有参与测试品种的雄穗性状分级而得出的，2018—2019年贵州地区进行DUS测试的玉米品种大多数为杂交种，雄穗发育较好，造成测试指南中黄C所代表的性状17与性状18的表达状态与在贵州地区的实际分级代码差异较大，导致符合系数较低。基于此，在贵州地区不建议将黄C再作为玉米DUS标准品种使用。Mo 17与黄早四虽符合系数相对较低，但因其表征的性状较多，且分别为美国Lancaster杂种优势群与我国地方种质资源的代表系，建议保留其作为贵州地区玉米DUS标准品种。在各性状的符合系数中，质量性状>假质量性状>数量性状，说明相对数量性状来说，质量性状与假质量性状受环境影响较小。性状17(雄穗：最低位侧枝以上主轴长度)与性状18(雄穗：最高位侧枝以上主轴长度)的符合系数在39个测试性状中较低，此结果与Liu等[12]关于雄穗性状具有高度的可塑性变异的研究结果相符。

39个测试性状在36份标准品种中检测到199个等位变异，变异幅度介于1～9之间，平均每个性状为5.103个；其有效等位变异数变幅介于1～6.694之间，平均为3.282；39个测试性状的Shannon-Weaver多样性指数变幅介于0～2.008之间，平均为1.234。此结果高于卢柏山等[13]在北京利用28份自交系与姚宗泽等[14]在昆明利用45个玉米杂交种进行的形态多样性研究，低于陈海荣等[15]在上海开展53个玉米标准品种研究的结论，这可能由于本研究采用玉米DUS测试指南(2018版)列出的标准品种进行分析，实验材料较之前的测试指南版本减少的缘故。36份标准品种的形态相似系数在0.64～0.84之间，与陈海荣等[15]研究结果相比，实验材料间的相似性稍小，来源广泛，具有研究价值。根据聚类结果，可将测试性状表达相似系数较高的品种做适当的调减。当相似系数为0.81时，可将玉米DUS测试标准品种调减为31个。

本研究基于玉米DUS测试性状，对36份玉米标准品种在贵州地区的表达差异性与形态多样性进行分析，结果既展示了玉米DUS测试标准品种性状表达的准确性，又体现了标准品种的形态多样程度，综合评价玉米DUS测试标准品种在贵州的适用性与准确性，为贵州地区科学、公正、可靠地开展玉米DUS测试奠定理论依据。