优良葛藤种质资源评价筛选技术

2021-04-20谢文辉赵文武赵丽丽王雷挺陈超

安徽农学通报 2021年6期

谢文辉赵文武赵丽丽王雷挺陈超

摘要：饲草种质资源的遗传多样性是饲草产业可持续发展的重要内容和新品种改良的基础。我国草业育种研究起步较晚，且现有饲草种质资源相对匮乏，遗传背景单一，亲缘关系较近，是制约我国草业种质改良与创新的主要因素。该文介绍了葛藤植物的种类及种质资源收集保存情况，对当前植物种质资源鉴定评价及筛选的研究方法进行了综述，对比分析了目前学术界常用的几种评价筛选方法，并对未来如何提高鉴定评价效率等提出了几点建议。

关键词：葛藤;种质资源;评价;筛选

中图分类号 S567.239 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2021）06-0085-05

Evaluation and Selection Techniques of Excellent Pueraria Lobata （wild.） Ohwi Germplasm Resources

XIE Wenhui et al.

（College of Animal Science， Guizhou University， Guizhou 550000， China）

Abstract： The genetic diversity of forage grass germplasm resources is an important part of the sustainable development of the forage grass industry and the basis for the improvement of new varieties. The research of forage breeding in my country started late， and the existing forage germplasm resources are relatively scarce，the genetic background is single， and the genetic relationship is relatively close，which are the main factors restricting the improvement and innovation of forage germplasm in my country. This research briefly introduces the types of Pueraria lobata plants and the collection and preservation of germplasm resources， reviews the current research methods of plant germplasm resources identification， evaluation and selection， and introduces several evaluations and selections commonly used in academia. And put forward a few suggestions on how to improve the efficiency of identification and evaluation in the future.

Key words： Pueraria lobata; Germplasm resources; Evaluation; Screening

葛藤[Pueraria lobata （Willd.） Ohwi]，又名野葛、葛條，属豆科蝶形花亚科葛藤属，为多年生落叶藤本植物。葛藤喜温暖、潮湿的环境，主要分布于温带和亚热带地区，多生于草坡、路边或疏林中，在我国，除新疆、西藏及青海外，其余地区均有分布[1]。目前，众多学者认为葛藤在中国有15个种和1个变种[2]，也有研究者认为国内有约18个种[3]。据最新调查，贵州省现有葛藤10个种。

葛藤一般是指葛的地上部分，包括茎、叶、花和果，地下部分常称葛根。葛藤茎叶密、长有褐色的毛茸，茎可达10m以上，茎叶纤维发达而坚韧，生长适应性强，耐干旱、瘠薄，是常见的优良覆被植物[4]。葛藤具有食用、药用、保健及美容、饲用、观赏、绿化、生态维护等众多功能，具有很高的综合利用价值，可以产生良好的社会效益和生态效益[5]。

1 种质资源评价筛选的重要意义

种质资源也称为遗传资源，是具有实际和潜在价值的遗传材料[6]，包括栽培种、野生种、濒危稀有物种的繁殖材料，以及利用上述繁殖材料来人工创造的各种遗传材料。种质资源是品种培育和生物学研究的重要物质基础[7]，饲草行业的技术创新和可持续发展离不开优良种质资源的选择和培育。通过对种质资源进行鉴定和筛选，可以选择出优良的亲本材料，有目的性地改良饲用、药用、观赏及水土保持型葛藤，为逐步开发利用葛藤种质资源，促进和保障我国葛藤的繁育和生产提供保障[8]。

我国葛藤种质资源分布较广，主要集中在贵州地区，有必要结合葛藤不同种质资源种类、分布及综合开发利用情况，对葛藤资源进行初步的评价与筛选。为此，本文对比分析了近年来应用广、效果佳的种质资源评价方法，为从葛藤抗旱、耐热、耐土壤瘠薄、牧草高产和优质等方面综合评价提供有效的借鉴方法，为进一步筛选产量高、品质优、适合不同地区栽培的优质葛藤种质材料提供技术支持。

2 常见植物种质资源的评价筛选技术

2.1 层次分析法层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）是由美国运筹学家T. L. Saaty于20世纪70年代初提出的一种定性与定量相结合的分析方法[9]。该方法可以将复杂问题按照指标之间的隶属关系进行层层分析，消除分析过程中产生的不确定性和盲目性，结构清晰，系统性强，能有效提高分析的准确性和合理性，指导人们进行科学决策。有学者将层次分析法应用于三叶崖爬藤[10]的种质资源评价鉴定中，筛选出了14个在生长、抗性等方面有一定的优越性的种质，为三叶崖爬藤的育种工作提供了优良遗传基因。王晓斌等[11]将该方法应用于引进马铃薯的种质资源评价筛选，筛选出几种优良的马铃薯种质。李慧敏等[12]以湿地植物化学需氧量、氨氮、总氮、总磷的去除率作为水处理效果评价指标，甲烷与一氧化二氮排放量作为温室气体排放情况评价指标，利用层次分析法构建了湿地植物评价和筛选模型，对菖蒲、美人蕉、水和风车草等4种湿地植物进行了评价和筛选。

本文利用层次分析法建立了一套有效的种质资源的综合评价体系，对葛藤种质资源的主要农艺性状和品质性状进行综合评价，为今后葛藤种质资源的评价提供理论和技术支持，也在加快葛藤的育种过程起到非常重要的作用。基于层次分析法对葛藤种质资源评价筛选的技术路线如图1所示。

利用层次分析法对种质资源进行综合评价时，首先应通过咨询专家，对评价指标建立一套准确的评分方法。常见的评分方法为建立5级评分制对种质评价指标进行量化分级，为每一个指标确定相应的评分标准[13]（见表1）。

其次，根据层次结构构造判断矩阵，利用MATLAB软件计算得到每个指标的权重。再经过一致性检验筛选出品质指标，生长指标和环境适应性3个重要指标，并得出影响最终目标选择的主要因素[14]。

再次，在种质筛选中，根据调查结果，利用比较评价指标的分级标准和评价方法，得出每种参选种质的各项指标得分，计算得到综合评价值，对各种质进行排序，并根据计算得出一定的最小权重值，选择高于该值的种质作为优良种质。在实践中，研究者常利用GGE模型结合层次分析法来对目标种质资源进行种质评价与筛选，可以有效减小试验过程产生的误差，得到更加精准的结果[15]。

层次分析法结合定性和定量的方法，运用严谨的数学原理对数据分析计算，克服了综合评价与分析过程中的不确定因素，为综合评价与分析过程提供了一个较准确、合理、有效的分析结果。但其应用于植物种质资源的评价和筛选实践中，会因研究者考虑的因素不全面，导致最终的评价指标体系不完善，且存在判断过程中会存在主观偏见等问题。因此，在设定各个级别的影响因素之间的判断比例时，应广泛咨询专家，以求尽可能地实现客观评价。

2.2 方差分析法方差分析（Analysis of Variance，简称ANOVA），又被称“变异数分析”或“F检验”，是英国统计与遗传学家R.A.Fisher于20世纪50年代提出的一种统计方法，常用于2个及2个以上样本均数差别的显著性检验[16]。它从观测变量的方差入手，研究确定许多控制变量中哪些是对观察变量有显著性影响的变量[17]。方差分析法具体运用在不同品种葛藤评价筛选中时，通过比较不同品种葛藤幼苗发芽指数、活力指数以及不同品种植株的营养品质参数、抗病、早熟、抗倒、抗寒、耐旱等多因素是否存在显著差异。常见的方差分析法有单因素分析法、双因素分析法及多因素分析法，其中单因素及双因素是最常见、运用最广泛的方法。如对不同品种葛藤产量的单因素方差分析主要步骤为：选取中国贵州常见的黄毛萼葛（P. calycina Franch），食用葛藤（P. edulis Pamp），丽花葛藤（P. elegans Wang et Tang），野葛藤[P. thlenbergiana（S.et.Z.）]，峨嵋葛藤（P. omeiensis Tang et Wang），三裂叶葛藤[P. phascoloides（Roxb）]，斯氏葛藤（P. stracheyi Baker），越南葛藤（P. tonkinensis Gagnep）。分別对其编号为a、b、c、d、e、f、g、h。设定其各个品种产量为A、B、C、D、E、F、G、H。编制产量比较表，进行统计计算：

（1）分解自由度

df总=nk-1

df处=n-1

df区=k-1

df误=df总-df处-df区

（2）分解平方和

C=T2/nk

SS总=Σx2-C

SS处=ΣTi2/k-C

SS区=ΣTj2/n-C

SS误=SS总-SS处-SS区

（3）求均方值

MS处=SS处/df处

MS区=SS处/df处

MS误=SS误/df误

（4）F测验：若设定α=0.01，查F表，得到F0.05;F0.01;F0.05;F0.01;将查表值填入表。F处>F0.01，则处理均方差异极显著。F区

尽管方差分析是目前我国种质资源评价和实验数据分析中一种最主要的分析方法，但其存在的缺点也是显而易见的，通过其计算出的数据精度相对其他模型较低[18]。

2.3 主成分分析法主成分分析（Principal Component Analysis，简称PCA），尝试将原始的大量相关性指标转换为少数几个综合指标，被称为降维数学变换方法[19]。通过降维，将多个农艺品质和经济指标转化为一定的几个综合指标（即主成分），其中每个主成分都可以反映出原始变量的大部分信息，并且所包含的信息不会重复[20]。

在实际研究中，通常使用Bartlett球形度检验来确定显著性水平，以确定是否可以进行主成分分析[21]。在对某一植物品质进行评价时，一般将该植物某几个批次品种测定的各种指标归类和简化，再利用SPASS软件对所得指标进行主成分分析，得到主成分特征及贡献率。选择主成分累积贡献率较大几个数据，对应得到保留原始数据信息较多的几个指标，再选取排在前列能够较好地解释原有变量所包含的信息的几个主成分。将排在前列的主成分特征值来代替评价原有品种品质的全部指标。最终通过计算得到选定的特征绝对值较大的某几个指标，并将其作为评价植物品质的主要指标。最后通过SPASS 21.0软件处理得到综合得分高的植物样品，即为评价筛选结果[22]。

魏臻武等[23]以来自北美、欧洲、澳洲和我国的84个苜蓿种质为材料，采用主成分分析对苜蓿生长特性和产草量相关性状进行分析和评价，得到苜蓿生长特性和产草量之间的关系。在牧草品种评价筛选中运用主成分分析时，通常以不同品种或不同种质资源作为研究材料，对各品种或种质进行植物学形态特征鉴定和叶片品质检测。常见葛藤的形态学特征和叶片品质参数见表2。

将以上每个葛藤品种的形态特征和茎叶品质参数采用Excel软件进行数据整理，品质数据用“平均值±标准差”表示，利用SPSS19.0的Duncan多重比较方法在P<0.05或P<0.01水平下对各评价指标进行差异显著性分析，利用皮逊尔相关性分析进行指标筛选，以及使用Z-score描述性统计对筛选的品质指标数据进行数据标准化，最后通过SPSS19.0即可直接得到结果[24]。

主成分分析法可以全面深入、细致、直观地呈现出每个种质的所有信息，克服了传统评价方法的单一性、片面性和主观性等缺点，是植物种质资源评价中高效而新型的分析方法。但主成分分析也因计算过程中未考虑旋转前后坐标权重的变化，此存在内在的矛盾，而这种矛盾引起的误差通常很容易被忽略，从而影响了模型的准确性。因此，许多研究人员建议将主成分分析作为作物评价筛选研究的中间步骤。

2.4 隶属函数分析法隶属函数（Subordinate function）法基于模糊数学原理，利用隶属函数进行综合评价[25]。一般步骤如下：首先利用隶属度函数给出闭区间（0，1）内各指标的对应值，称之为“单因素隶属度”，对每个指标进行单一评价。然后对每个单因素隶属度进行加权算术平均，计算出综合隶属度，得到综合评价指标值。越接近0，表明该品种抗逆性较差;越接近1，表明该品种抗逆性较强[26]。模糊隶属函数法通过计算测定指标加权平均值来全面系统的反映评价指标，广泛应用于植物抗逆性评价[27]。目前，在饲草品种评价筛选中，该方法常用来比较不同品种或种质的耐盐耐碱性、抗旱性、抗寒性等生理指标。常见不同葛藤品种抗逆性的生理指标如表3所示。

不同抗逆系数：

K=胁迫处理测定值/对照测定值[28]。

隶属函数值：

R（Xij）=（Xij-Xmin）/（Xmax-Xmin）（1）

R（Xij）=1--（Xij-Xmin）/（Xmax-Xmin）（2）

式中，Xij为i品种j指标的抗逆系数;Xmin、Xmax為j指标中所有参试材料的最小值和最大值;R（Xij）为i品种j指标的隶属函数值。如果某一指标与抗逆程度为负相关，则用反隶属函数进行转换，即公式（2）[29]。

将各品种所有指标的隶属函数值进行累加，求其平均数得各品种的隶属函数值R。R值越大，表示抗逆性越强[30]。

3 结论与展望

本文介绍了葛藤种质资源综合评价方法，为牧草的综合评价提供了多种可行的评价方法。野生饲用葛藤资源丰富，在我国分布较广泛，具有较高的经济和生态价值。今后应加大对已发现的不同葛藤种质资源的综合评价分析力度，充分利用好野生饲用葛藤资源，从而更好地为我国生态草地畜牧业服务。

本文介绍的4种国内研究者所通用的植物种质资源评价筛选方法均可以运用于不同葛藤种质资源的评价筛选中，通过对葛藤农艺性状和营养成分进行综合评定，如评价葛藤的饲用价值时，可采用在方差分析基础上的层次分析法来综合评价茎长、茎粗、鲜草产量、干草产量等指标，筛选出适合作为优良饲草的饲用葛藤资源。种质筛选评价方法对葛藤而言最为适用，误差也较小。

在今后的研究中，应依据种质资源评价筛选标准利用更多的数学模型，借助现代计算机技术实现农业研究与数学的紧密结合，探索出更多更精准的植物种质资源评价筛选体系。

参考文献

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