红壤旱地食用型甘薯主要农艺性状的稳定性分析及适应性评价

肖富良，黄天宝，吕伟生，李亚贞，郑 伟，肖小军，韩德鹏，肖国滨

(江西省红壤研究所/江西省红壤耕地保育重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心/农业农村部 江西耕地保育科学观测实验站，江西 南昌 331717)

甘薯(ImpomoeabatatasL.)营养成分丰富，而且具有抗氧化、抗糖尿病、增强免疫力、护肝及防癌等多种营养保健作用[1-2]，是我国重要的粮食作物，栽培面积和总产量均居世界之首，总产仅次于水稻、小麦、玉米和马铃薯，居第5位(FAO,2016)。我国南方红壤丘陵区面积大，约占全国土地面积的21%，且水热资源丰富，适宜发展多熟制种植制度，农业生产潜力巨大，对保障我国粮食安全和促进国民经济持续发展作出了重要贡献[3-5]。但是由于红壤性质上存在酸、瘦、粘等缺点，以及降水时空分布不均、人为开发利用不合理，导致红壤地区生态环境持续恶化[5]。因此在进行红壤修复的同时，也更加要求种植品种的优异性。研究和探索不同甘薯品种(系)在红壤旱地的适应性是认识甘薯不同性状相关性规律、提高甘薯生产水平的重要途径。

丰产、稳产、优质是甘薯育种的重要目标[6-9]，主要受遗传效应(G)、环境效应(E)、基因型与环境互作效应(GE)的综合影响，而基因型与环境互作效应是影响品种稳定性和适应性的关键因素，因此难以选育出广适性的甘薯品种[10]。我国现行的农作物品种区域试验和品种审定过程，是将目标种植生态区默认为一个同质的品种生态区，依据品种在多环境试验中的平均表现进行品种评价[11]。红壤区作为一个特殊的生态区域，受遗传效应和年份效应的综合影响，不同甘薯品种(系)将反映出不同的性状表现与产量稳定性。但目前未有对食用型甘薯品种在红壤旱地进行稳定性与适应性的研究，也未建立一个科学、有效的综合评价方法。本研究通过对年度间不同食用型甘薯品种(系)主要农艺性状和经济性状进行稳定性分析，并借助主成分分析的方法建立综合评价模型，旨在揭示不同食用型甘薯品种(系)在红壤旱地上遗传和年份效应的稳定性，并为红壤旱地食用型甘薯优良品种的筛选与选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于江西省旱作物良种引育中心(东经116°20′24″，北纬28°15′30″)，土壤母质为第四纪红粘土，属于典型亚热带红壤分布区。试验期间日均气温和降雨量变化如图1所示。

图1 2017～2018年甘薯试验季的日均气温和降雨量

1.2 材料与处理

供试品种(系)为江西省农业科学院作物研究所和江西省红壤研究所提供的8个品种(系)：徐渝薯34、广薯87、泉薯10号、赣20141905、赣20140101、赣薯2号、赣GD55-02和广薯72。2017～2018年采用随机区组设计，每个品种(系)重复3次，小区面积20 m2，5行区，垄距80 cm，株距25 cm，每667 m2施用60 kg硫酸钾复合肥 (N∶P∶K=15∶15∶15) 、40 kg有机肥作底肥。2017年于6月3日栽插，11月7日统一收获；2018年于6月19日栽插，11月26日统一收获。

1.3 测定方法

1.3.1 生育进程 还苗期为栽插后至还苗期的天数；封垄期为栽插后至封垄期的天数。

1.3.2 食味评价 鲜薯蒸熟后采用人工品尝打分法，食味分为甜度、黏度、香味、粗纤维4个指标打分，以广薯87(广东省农业科学院作物研究所育成)为参照，广87每个指标分值为70分。试验品种(系)根据品尝食味与广薯87的差异，给出相应的分值，综合得分按甜度40%、香度20%、黏度20%、纤维感20%的权重进行统计[12]，取2 a平均值。

1.3.3 农艺性状 农艺性状调查方法参考甘薯种质资源描述规范[12]。

1.3.4 干物率测定 取中等大小薯块切成薄片(一般5 mm厚度)，随机取一些薄片，切成丝，取其中的500 g，在烘箱中先用60 ℃烘至较干燥，再用105 ℃烘至恒重，计算烘干率。

1.4 统计分析

采用Excel 2007对数据进行分析处理，统计分析采用DPS 7.5进行方差分析，运用SPSS 17.0 软件进行相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 主要农艺性状的稳定性分析

2.1.1 主要农艺性状的变异分析 不同基因型间甘薯农艺性状变异系数大小(CV总)：广薯72<广薯87<赣薯2号<徐渝薯34<赣GD55-02<赣20140101<赣20141905<泉薯10号(表1)。与其他品种(系)相比，泉薯10号和赣20141905在红壤旱地区域各性状相对不稳定，而广薯72和广薯87则相对稳定，可以作为红壤旱地稳定性对照材料。

表1 不同基因型间甘薯农艺性状的变异分析

不同年份间甘薯农艺性状的变异系数2018年较2017年增长绝对值(表2)：分枝数

表2 不同年份间甘薯农艺性状的变异分析

2.1.2 主要农艺性状的年份和遗传效应分析 不同农艺性状方差分析见表3，仅还苗期年度间差异显著，受年份效应影响较大，而其他性状年份间差异不显著，结合气象资料分析表明：还苗期受栽插后降雨情况影响，导致还苗期变异系数大，年度间差异显著，因此，栽插时期的选择对快速还苗具有重要的意义。所有性状基因型差异显著或极显著，且F值均大于年份效应和年份×基因型互作效应，说明遗传效应起着决定性作用；年份×基因型互作效应，还苗期、鲜薯产量、干物率差异极显著，食味评价差异显著，其余性状差异不显著。

F值大小显示封垄期和薯干产量基因型效应>年份效应>年份×基因型互作效应，还苗期、蔓长、茎粗、分枝数、单结薯数、鲜薯产量、干物率、食味评价基因型效应>年份×基因型互作效应>年份效应，说明还苗期主要受基因型控制，年份效应(差异显著)次之，而其余性状主要受基因型控制，年份效应(差异不显著)影响较小。

2.2 主要农艺性状的相关性分析

对不同食用型甘薯品种的农艺性状和产量性状进行相关性分析，结果表明(表4)：干物率与蔓长呈显著性正相关，与食味评价呈极显著正相关，与分枝数呈显著性负相关；薯干产量与封垄期和分枝数呈显著性负相关；其余性状间无显著相关性。

表3 不同农艺性状的方差分析(F值)

表4 不同甘薯品种农艺性状和产量的相关性分析

2.3 适宜红壤旱地食用型甘薯品种评价模型的建立

为建立一个适宜红壤旱地食用型甘薯品种的评价模型，利用SPSS 17.0软件对不同农艺性状和产量性状进行主成分分析。根据特征值>1的原则提取了3个主成分(表5)，累计贡献率达82.258%，说明这3个主成分基本解释了10个变量的大部分信息。主成分PC1解释了41.556%的总变异信息，主要综合了光合产物运输与积累性状(蔓长、干物率和薯干产量)和品质(食味评价)信息，因此，认为PC1是光合产物性状和品质因子；主成分PC2包含了原始信息的29.817%，其大小主要由产量性状(单结薯数和鲜薯产量)决定，可认为PC2是产量性状因子；主成分PC3包含了原始信息的10.885%，主要由源库距离(茎粗)决定，可认为PC3是源库距离因子。

在PC1中，蔓长、干物率、薯干产量和食味评价载荷值较高，还苗期、封垄期和分枝数载荷较小，为负值，表明在甘薯高薯干产量与食味评价育种中，PC1越高越好，还苗期和封垄期要短，分枝数较少；在PC2中单结薯数和鲜薯产量荷载值较高，还苗期、封垄期、蔓长、干物率和食味评价何载值为负值，表明在高鲜薯产量育种中，单结薯数要高，还苗期和封垄期要短，适宜的蔓长和干物率；而还苗期和封垄期在3个主成分中都为负值，说明优良食用型甘薯品种的选育需要以较短还苗期和封垄期的甘薯品种为亲本。

表5 不同甘薯品种主要性状的主成分分析

通过对3个主成分特征向量分析和各性状指标数值的标准化处理，建立线性回归方程：

PC1=-0.154X1-0.196X2+0.2X3+0.048X4-0.218X5+0.015X6+0.011X7+0.189X8+0.192X9+0.127X10

PC2=-0.089X1-0.152X2-0.066X3+0.152X4+0.005X5+0.25X6+0.298X7-0.192X8+0.137X9-0.264X10

PC3=-0.056X1-0.197X2+0.226X3+0.73X4+0.357X5+0.025X6-0.282X7-0.051X8-0.267X9+0.109X10

将3个主成分的方差贡献率作为权重系数建立综合评价模型：F=(41.556×PC1+29.817×PC2+10.885×PC3)/82.258。根据3个主成分的线性回归方程及综合评价模型，计算出8个甘薯品种各主因子得分和综合得分并按分值高低排序，结果见表6，得分越高说明该品种越适宜在红壤旱地种植。赣20140101、泉薯10号、赣20141905和广薯72共4个甘薯品种(系)得分较高，分别在光合产物性状和品质因子、产量性状和源库距离、产量性状和源库距离、光合产物性状和品质因子上表现优异，较为适宜在红壤旱地种植。徐渝薯34和广薯87共2个品种主要是产量性状和源库距离上得分较差，赣薯2号仅在产量性状方面表现优异，而在光合产物性状和品质因子和源库距离上表现较差，赣GD55-02在3个综合评价方面得分均较差。

表6 不同甘薯品种综合得分及排名

3 讨论

3.1 年份效应与遗传效应的影响

年份效应、年份与基因型的互作效应是品种在某一生态环境中适应能力的体现。本研究对不同品种(系)主要农艺性状和经济性状进行方差分析，结果表明：对蔓长和薯干产量总变异起作用的因素依次为基因型、年份、年份与基因型互作，对还苗期、封垄期、茎粗、分枝数、单结薯数、鲜薯产量和干物率总变异起作用的因素依次为基因型、年份与基因型互作和年份。而卢会翔等[13]对甘薯产量、品质、农艺性状的基因型与环境效应的研究结果表明：白肉甘薯产量性状基因型效应大于年份效应，而紫肉甘薯产量性状年份效应大于基因型效应。因此，在对甘薯遗传效应与年份效应的稳定性比较存在薯肉颜色的差异。

作物的性状主要受遗传和环境的双重影响[14]，而年度间气候环境等的变化，也会带来不同程度的年份效应。在不同作物产量稳定性分析中，基因型变异与年份效应的影响可能存在作物属性：马铃薯[15-16]和水稻[17]的基因型变异大于年份效应；而玉米[18-19]、油菜[20-21]和大豆[22]的年份效应大于基因型变异，这可能受各作物遗传差异和收获器官不同的影响。由于遗传因素属于固定因素，年份因素属于随机因素，当固定因素的效应大于随机因素时，说明遗传特性在受到年份间气候环境等的变化时表现出较大的差异性，此类作物需要加大对其进行遗传改良；当随机因素大于固定因素时，说明年度间气候环境等的变化能较大地影响产量变化，此类作物需要特别注意气候环境的变化，并配套相应的栽培措施。甘薯是6倍体物种(2n=6x=90)，基因组较大，而且紫薯和红黄薯分别具有明显不同的来源和系统演化关系[23]，这可能是导致不同薯肉色品种间遗传效应和年份效应的影响出现相反规律，没有表现出作物固有属性的原因。但是按照薯肉颜色分类的结果并不能代表其在DNA水平上整体多态性[24]，因此要得出更为准确的结论，需要对所研究的材料进行分子生物学研究。

3.2 不同性状间的相关性存在差异

育种中常常利用2个变量因素的相关密切程度，即相关性分析，来研究较难观察到的目标性状，从而进行选择育种。根据本研究相关性可为育种上提供理论指导：育种上需要选择封垄期短、分枝数少的品种(系)来获得较高薯干产量，高干物率与食味评价品种的获得需要从长蔓、少分枝数品种(系)中选择。但由于种质群体、种植环境和研究方法的不同，导致不同研究者对甘薯各性状间的相关性分析结果差异较大，没有得出统一的结论[13,25]。其中干物率与食味评价的相关性甚至出现相反的结果，赵大伟等[26]研究表明：干物率与食味评价呈显著负相关。黄洁等[23]研究显示，干物率与食味评价相关性不显著，而本研究结果与林汝湘等[27]的一致，干物率与食味评价呈极显著正相关。分枝数与茎粗的相关性不仅在不同研究者间差异较大，不同肉色品质间也呈现较大差异。赵大伟等[28]研究显示，紫肉品种的基部分枝数与茎粗呈极显著正相关，而黄肉品种的茎粗与基部分枝数呈极显著负相关；滕燕等[29]认为甘薯茎粗与基部分枝数呈极显著正相关；赵大伟等[30]认为甘薯茎粗与基部分枝数呈极显著负相关。本研究与卢会翔等[13]的研究结果一致，茎粗与基部分枝数无显著相关性。因此需要细化环境区域划分、扩大种质群体，进行针对性的研究，才能在育种实践中更具有指导意义。

3.3 基于主成分分析的综合评价体系

主成分分析能在不损失或很少损失原有信息的前提下，将有相关性的多个指标综合成彼此独立的少数几个因子进行研究，是一种有效对作物品种适应性进行综合评价的方法，广泛应用于大豆[31]、大麦[32]、茶叶[33]、玉米[34]、花生[35]等多种作物。本研究通过主成分分析的方法建立了一个适宜红壤旱地食用型甘薯品种的评价模型：将10个主要农艺性状与经济性状综合成3个独立的评价因子(光合产物性状和品质因子、产量性状因子、源库距离因子)，根据各主成分的线性回归方程及综合评价模型，计算出不同甘薯品种各主因子得分和综合得分并按分值高低排序。此评价模型的建立为红壤旱地区域食用型甘薯品种(系)的筛选和评价提供了方法，同时运用主成分分析还能通过了解各性状在品种上的优劣表现，确定性状选择方向，为品种选育提供理论依据[36]。

4 结论

分枝数与薯干产量可以作为品种稳定性评价的2个性状；栽插时需要提供适宜的栽插条件保障快速成苗；优良食用型甘薯品种表现为较短的还苗期和封垄期，以及较少的分枝数。