马铃薯高世代无性系锌的稳定性及广义遗传力估算

李 辉，白雅梅，宋志军，李 磊，程胜群，隋启君，吕文河*

(1. 东北农业大学农学院，黑龙江 哈尔滨 150030；2. 东北农业大学资源与环境学院，黑龙江 哈尔滨 150030；3. 云南省农业科学院经济作物研究所，云南 昆明 650205)

【研究意义】马铃薯(SolanumtuberosumL.)是世界第三大粮食作物，在160多个国家均有种植。马铃薯是中国的第四大粮食作物，总产量与种植面积均占世界首位[1]，据农业农村部网站数据，2017年全国马铃薯种植面积580万hm2，年总产量达9682万t，其中食用消费5895万t，加工消费823万t。中国马铃薯生产主要分布在西北和西南等经济落后地区，这些地区多为土地贫瘠、气候冷凉、干旱少雨，不适宜发展传统粮食作物。由于马铃薯具有耐旱、耐寒和耐贫瘠、适应性广等特点，成为贫困地区粮食生产和脱贫致富的优势农作物。若能通过遗传改良提高马铃薯锌的含量，对提高马铃薯主产区人们健康水平会有重要影响。【前人研究进展】马铃薯品种间锌含量的变化范围一般较小，在2～37 μg/g DW[2-11]，但也有变化范围相对较大的报道，在0.4439～8.9109 μg/g FW[12]。Brown 等[8]有2个试验(Tri-State和Western Regional/Specialty/Red Skin)无性系锌含量没有显著差异，但有一个试验(Western Regional Russet)无性系锌含量差异显著。也有其他研究发现马铃薯品种(系)间锌含量存在显著差异[6,9,11,13-14]。同时马铃薯块茎锌含量存在显著的环境 × 基因型互作效应[6,8-9,13]。其广义遗传力估值大小不一，Brown 等[8]报道的广义遗传力为0.19～0.61，而Haynes 等[9]估算的马铃薯块茎锌含量的广义遗传力可高达0.82。【本研究切入点】在中国对马铃薯块茎锌含量的研究不多，且主要集中在分析马铃薯品种(系)的锌含量上。对马铃薯进行锌含量的遗传生物强化，即选育高锌含量的新品种，明确现有育种计划马铃薯无性系锌含量的变化范围、无性系锌含量在不同环境中表现的稳定性以及遗传变异占总表型变异的比值(广义遗传力)是非常重要的。【拟解决的关键问题】利用国外种质资源创造的高世代马铃薯无性系为试验材料，分析确定锌含量是否存在基因型 × 环境的互作，评价供试马铃薯无性系锌含量在不同环境中的稳定性，以及估算锌含量的广义遗传力，以期为富锌马铃薯品种的选育提供基础材料和数据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

无性系名称及其亲本信息见表1。试验共测试了21份马铃薯品种(系)，除N08-21-1外，其它无性系中至少亲本之一是荷兰品种或利用荷兰种质资源选育的无性系。N08-21-1的父本Norland是美国品种。早期世代主要对杂交后代的适应性进行选择，包括成熟期和块茎性状，高世代主要对无性系的产量和抗病性进行选择，没有对块茎中的锌元素含量进行测试。试验以炸条品种夏坡蒂(CK1)和鲜食品种克新13号(CK2)作对照。

1.2 试验方法

2017和2018年分别在哈尔滨市和克山县进行试验，选用无病健康的种薯切块种植，每个块茎约50 g，采用随机区组设计，行长6 m，株距0.2 m，即每行30 株，3 行区，4 次重复。两地垄距均采用当地种植模式，哈尔滨市与克山县垄距分别为0.8 m和0.9 m。2017年5月2日和5月11日，2018年4月27和5月9日将2套相同的试验材料分别播种在哈尔滨市东北农业大学向阳实验示范基地和齐齐哈尔市克山县北联镇707农场。2017年9月20日和9月15日，2018年9月26日和9月18日分别收获种植在哈尔滨和克山的试验材料，收获后的马铃薯块茎贮藏于窖中。试验地土质为黑钙土，土壤肥力状况如表2所示。

表1 试验无性系及其亲本

1.3 样品分析

马铃薯块茎锌和土壤锌含量测定采用原子吸收光谱法。收获后2周内分别从每个小区中挑选具有代表性无病健康的马铃薯块茎4个，流水清洗并晾干，带皮切成大小约1 cm3薯块。105 ℃杀青30 min，80 ℃恒温烘至恒重。再将烘干的样品粉碎，密封保存。样品的消解采用浓硫酸-30 %过氧化氢消解法，将粉碎的样品过100目筛，称取0.1000 g烘干样品放于凯氏瓶中，加入去离子超纯水1 mL，接着加入浓硫酸5 mL，浸泡12 h后，放在消煮炉上加热消煮。为了提升速度在加热升温过程中每隔20 min左右加入5～6 滴30 % H2O2，慢慢摇荡促其消化。该过程中会发现瓶中溶液的颜色由最初的棕色渐渐变浅最后失去颜色变为透明，至此消煮阶段完成。消煮后定容至10 mL，使用日立Z-2000原子吸收分光光度计将待测液进行测定[15]。

表2 土壤肥力

注：土壤肥力水平是2017和2018年平均值。

Note: Soil fertility level was the average in 2017 and 2018.

表3 马铃薯品种(系)锌含量方差分析、线性回归分析和AMMI模型分析

注： *表示显著差异(P< 0.05); **表示极显著差异(P< 0.01)。

Note: * meant significant difference (P< 0.05); ** meant highly significant difference (P< 0.01).

1.4 统计分析

采用DPS (V14.10) 数据处理系统[16]对试验数据进行联合方差分析和平均值比较(LSD法)。利用联合方差分析的均方对广义遗传力[17]进行估算，广义遗传力的置信区间由Knapp等[18]提出的公式计算。稳定性分析采用AMMI模型[19]。

2 结果与分析

2.1 主效及互作效应对马铃薯品种(系)锌含量影响

由表3方差分析可知，锌含量基因型(品种)、环境和基因型 × 环境互作效应均达到极显著水平。从线性回归分析中可以看出，联合回归、基因型回归和环境回归三者的互作平方和(SS)加起来占54.29 %，而残差占45.71 %，互作平方和(SS)残差很大且达到极显著水平。因此，数据分析中回归模型解释的互作较少，回归模型在数据的拟合上不够理想。

而用AMMI模型对参试品种与参试环境互作进行分解后，IPCA1和IPCA2轴都极显著，各解释了品种与环境交互作用的62.22 %和27.97 %，2个IPCA轴共解释了品种与环境交互作用的90.19 %，残差仅占品种与环境交互作用的9.81 %。将线性回归分析和AMMI模型分析相比较可知，AMMI模型分析比线性回归分析更为有效，能透彻地分析参试品种与参试环境的互作信息。

2.2 马铃薯品种(系)锌含量及其稳定性

由表4可知，21份品种(系)锌含量均值为13.80 μg/g DW，变化为11.99～17.89 μg/g DW，其中，共有2个无性系(N08-14-1和H04-3-18)锌含量高于夏坡蒂(CK1)，且差异显著；共有12个无性系(N08-14-1、H04-3-18、N10-24-2、N12-39-10、N12-45-1、N12-38-1、N12-42-18、N11-23-8、N08-21-1、H09-34012、N11-50-37和H04-7-23)高于克新13号(CK2)，其中3个无性系(N08-14-1、H04-3-18和N10-24-2)与克新13号(CK2)差异显著。

以锌含量为横坐标，IPCA1为纵坐标汇制成AMMI1双标图(图1)。在水平方向上，品种比环境分散，说明品种间的变异大于环境间的变异。以IPCA1等于零作一条水平线，品种与环境在同一侧表示两者具有正交互作用，反之则有负交互作用。

表4 马铃薯品种(系)锌含量及稳定性参数

注： 同列数据后不同小写字母表示差异显著P<0. 05。

Note: Data followed by different lowercase in the same column indicated significant difference at 0.05 level.

N08-14-1(V10)和N12-39-10(V5)的IPCA1绝对值较大，说明这2个品种对环境敏感。品种的图标越接近IPCA1零值，则品种的稳定性越好，H09-34012(V7)的IPCA1值比较接近零值，说明其稳定性最好。

IPCA1仅能解释品种(系)和环境交互作用的62.22 %，而IPCA1和IPCA2可共同解释交互作用的90.19 %。以品种(系)、环境的IPCA1、IPCA2为横纵坐标绘制双标图AMMI2(图2)，在AMMI2双标图上越靠近坐标原点的品种(系)稳定性越好，H09-34012(V7)离坐标原点最近，说明其稳定性最好；N08-14-1(V10)离坐标原点最远，说明它的稳定性最差，AMMI2双标图反映的品种(系)稳定性大小与表4的分析结果是一致的。此外，通过比较环境与原点连线的长短，可看出在各环境品种(系)交互作用的大小，在某一环境的品种的交互作用值可在图2上直观地由垂直投影的长短得出。如果投影是在连线上或穿过环境图标的外延线上，那么，品种在该试点有正的交互作用，表明有某种程度的特殊适应性。品种在连线上的投影离原点越远，则该品种与此环境的正交互作用就越大，如投影落在穿过原点的外延线上，则该品种在此环境的交互作用为负，离原点越远，负的交互作用就越大。N12-39-10(V5)在2017年哈尔滨(E1)有较大的正交互作用，而N08-14-1(V10)在2017克山(E3)有较大的正交互作用；N12-39-10(V5)在2018克山(E4)有较大的负交互作用，而N08-14-1(V10)在2018哈尔滨(E2)有较大的负交互作用。

以锌含量为横坐标，稳定性参数(Dg)为纵坐标作图(图3)，并且以锌含量和Dg平均值的交点为原点把散点图分为4个象限。处于第四象限的品种(系)锌含量高且稳定，处于第二象限的品种(系)锌含量低且不稳定，其他属于中间型品种。由图3可知，N10-24-2(V8)、N12-38-1(V13)、H09-34012(V7)、N11-23-8(V6)和N08-21-1(V3)处于第四象限，这5个品种(系)的锌含量较高且稳定性较好；H04-3-18(V9)、N08-14-1(V10)、N12-39-10(V5)、N12-45-1(V4)、N12-42-18(V17)和夏坡蒂(V2)处于第一象限，这6个品种(系)含量高但不稳定。

V1: 克新13号；V2: 夏坡蒂；V3: N08-21-1；V4: N12-45-1；V5: N12-39-10；V6: N11-23-8；V7: H09-34012；V8: N10-24-2；V9: H04-3-18；V10: N08-14-1；V11: N12-11-2；V12: H04-7-23；V13: N12-38-1；V14: N11-51-3；V15: N11-50-37；V16: N11-40-11；V17: N12-42-18；V18: H04-7-10；V19: N12-39-5；V20: N12-39-19；V21: N10-4018。E1: 2017哈尔滨；E2: 2018哈尔滨；E3: 2017克山；E4: 2018克山,下同图1 锌含量的AMMI1双标图Fig.1 AMMI1 biplot of zinc content

2.3 马铃薯品种(系)Zn含量广义遗传力

广义遗传力是指所有遗传变异占总表型变异的比率。因此，它不能预测对有性繁殖后代进行选择时的遗传进展，但能预测在一个分离群体中进行个体选择的遗传响应。以无性系(品种)均值为单位锌的广义遗传力估值为0.4542，95 %的置信区间为-0.06～0.75(表5)。从本试验的估值来看，锌的广义遗传力中等大小，但与零没有显著差异。

广义遗传力是指所有遗传变异占总表型变异的比率。因此，它不能预测对有性繁殖后代进行选择时的遗传进展，但能预测在一个分离群体中进行个体选择的遗传响应。以无性系(品种)均值为单位锌的广义遗传力估值为0.4542，95 %的置信区间为-0.06～0.75(表5)。从本试验的估值来看，锌的广义遗传力中等大小，但与零没有显著差异。

图(B)为图(A)原点附近未标识部分扩大图Figure (B) was an enlarged view of the unidentified part near the origin of the figure (A)图2 锌含量AMMI2双标图Fig.2 AMMI2 biplot of zinc content

图3 锌含量与Dg的关系Fig.3 Relationship between zinc content and Dg

3 讨 论

植物性食物通常不是人类获取锌的最佳来源，但是如果能够提高大宗粮食作物(如马铃薯)的锌含量无疑对改善人类微量元素缺乏状况将大有裨益。另外，与谷物和豆类作物相比，马铃薯的植酸含量较低，这有利于锌的吸收和利用[20]。现有马铃薯资源的锌含量变异幅度关系到采用遗传生物强化的方法提高马铃薯锌含量的可能性。本研究中供试测的马铃薯品种(系)锌含量变化范围不大，在11.99～17.89 μg/g DW，极差为5.90 μg/g DW，最大値比最小值高出49.21 %。Burgos 等[6]在2个地点评价了37份保存在国际马铃薯中心的材料锌含量，这些材料涉及到6个栽培马铃薯的类群(Phureja, Andigena, Tuberosum, Goniocalyx, Stenotomum, Chaucha)，变化为9.10～17.45 μg/g DW，极差为8.35 μg/g DW。Brown 等[8]在3个试验里共分析了36个马铃薯品种(系)的锌含量，变化为12.3～16.7 μg/g DW，极差为4.4 μg/g DW。Haynes 等[9]以大西洋为对照，评价了17份4x-2x (S.tuberosum×S.phureja-S.stenotomum) 杂种后代无性系的锌含量，变化(包括对照)为17.6～25.9 μg /g DW，极差为8.3 μg/g DW。廖虹等[10]分析云南省84个马铃薯品种(系)的锌含量，变化为12.63～34.53 μg/g DW，极差为21.90 μg/g DW。从以上结果可以看出，马铃薯块茎锌含量的变化范围可能与被测品种(系)的遗传背景和品系(系)的多少有关，遗传背景复杂或被测品种(系)数量多，所计算锌含量的极差就大。

表5 马铃薯品种(系)锌含量方差组分及广义遗传力估算(P= 0.95)

Table 5 Variance component and broad-sense heritability of zinc content in potato varieties (clones) (P= 0.95)

项目 Item锌 Zinc方差组分σ2G0.8595σ2G×g3.5502σ2e2.3270广义遗传力H0.4542上限0.7545下限-0.0613

马铃薯中很多重要的农艺性状存在着基因型与环境的互作。供试验的马铃薯的锌含量存在显著的基因型与环境的互作，这和前人的研究结果一致[6,8-9,13]。这些研究结果表明，在对马铃薯锌含量进行遗传改良时，要在多个环境条件下进行评价和选择。在选育高锌含量马铃薯品种时，不但要注意锌含量高，而且还要注意其在多个环境条件下的稳定性。以往对作物稳定性分析多采用回归模型，但从试验结果来看，采用回归模型对马铃薯锌含量稳定性进行分析效果并不好，回归模型仅解释了互作平方和(SS)的54.29 %，而采用AMMI模型对马铃薯锌含量进行稳定性分析，IPCA轴可解释品种与环境交互作用变异的90.19 %。从试验结果来看，马铃薯锌含量稳定的品种(系)锌含量一般均较低，但从供试的马铃薯品种(系)中仍能选出锌含量高且表现稳定的品种(系)(N10-24-2、N12-38-1、H09-34012、N11-23-8和N08-21-1),其中N10-24-2和N12-38-1锌含量低于夏坡蒂(CK1)，但没有显著差异，且N10-24-2锌含量显著高于克新13号(CK2)。

马铃薯是无性繁殖作物，杂交后不会产生分离。因此，估算马铃薯锌含量的广义遗传力对指导育种实践非常有指导意义。通过试验估算马铃薯锌含量的广义遗传力为0.4542，具有中等大小，但其和零差异不显著。Brown 等[8]对3个试验锌含量的广义遗传力分别进行了估算，其中2个试验的广义遗传力估值分别为0.19和0.29，和零均不显著。这2个试验供试品种(系)间的锌含量差异均不显著，可能是导致广义遗传力估值偏低的原因。Brown 等[8]的另一个试验马铃薯锌含量广义遗传力估值为0.61，且和零差异显著。Haynes 等[9]估计的马铃薯锌含量广义遗传力更高，达0.82，和零差异显著。马铃薯锌含量广义遗传力估值差异较大，这可能和所用马铃薯品种(系)有关。Haynes 等[9]所用的马铃薯品种(系)除对照品种大西洋外，均为4x-2x (S.tuberosum×S.phureja-S.stenotomum)杂种后代无性系，品种(系)间锌含量差异较大，且差异显著。通过试验马铃薯锌含量广义遗传力估值，并结合前人的研究结果，可以认为，选育高锌含量的马铃薯新品种虽有困难，但若采用合适的亲本并扩大选择群体仍然是可行的。富锌马铃薯新品种云薯304的育成就是一个成功的例子[21]。

4 结 论

马铃薯块茎锌含量变化为11.99～17.89 μg/g DW，且差异显著。锌含量品种(系) × 环境互作显著，但仍然可以选出锌含量高且表现稳定的无性系。马铃薯锌含量的广义遗传力估值中等大小，为0.4542，但和零差异不显著。选育高新含量的马铃薯新品种虽有困难，但若采用合适的亲本并扩大选择群体仍然可行。