李 輝，白雅梅，宋志軍，李 磊，程勝群，隋啟君，呂文河*

(1. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；2. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，云南 昆明 650205)

【研究意義】馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是世界第三大糧食作物，在160多個國家均有種植。馬鈴薯是中國的第四大糧食作物，總產(chǎn)量與種植面積均占世界首位[1]，據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部網(wǎng)站數(shù)據(jù)，2017年全國馬鈴薯種植面積580萬hm2，年總產(chǎn)量達(dá)9682萬t，其中食用消費5895萬t，加工消費823萬t。中國馬鈴薯生產(chǎn)主要分布在西北和西南等經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)，這些地區(qū)多為土地貧瘠、氣候冷涼、干旱少雨，不適宜發(fā)展傳統(tǒng)糧食作物。由于馬鈴薯具有耐旱、耐寒和耐貧瘠、適應(yīng)性廣等特點，成為貧困地區(qū)糧食生產(chǎn)和脫貧致富的優(yōu)勢農(nóng)作物。若能通過遺傳改良提高馬鈴薯鋅的含量，對提高馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)人們健康水平會有重要影響?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】馬鈴薯品種間鋅含量的變化范圍一般較小，在2～37 μg/g DW[2-11]，但也有變化范圍相對較大的報道，在0.4439～8.9109 μg/g FW[12]。Brown 等[8]有2個試驗(Tri-State和Western Regional/Specialty/Red Skin)無性系鋅含量沒有顯著差異，但有一個試驗(Western Regional Russet)無性系鋅含量差異顯著。也有其他研究發(fā)現(xiàn)馬鈴薯品種(系)間鋅含量存在顯著差異[6,9,11,13-14]。同時馬鈴薯塊莖鋅含量存在顯著的環(huán)境 × 基因型互作效應(yīng)[6,8-9,13]。其廣義遺傳力估值大小不一，Brown 等[8]報道的廣義遺傳力為0.19～0.61，而Haynes 等[9]估算的馬鈴薯塊莖鋅含量的廣義遺傳力可高達(dá)0.82?！颈狙芯壳腥朦c】在中國對馬鈴薯塊莖鋅含量的研究不多，且主要集中在分析馬鈴薯品種(系)的鋅含量上。對馬鈴薯進(jìn)行鋅含量的遺傳生物強(qiáng)化，即選育高鋅含量的新品種，明確現(xiàn)有育種計劃馬鈴薯無性系鋅含量的變化范圍、無性系鋅含量在不同環(huán)境中表現(xiàn)的穩(wěn)定性以及遺傳變異占總表型變異的比值(廣義遺傳力)是非常重要的。【擬解決的關(guān)鍵問題】利用國外種質(zhì)資源創(chuàng)造的高世代馬鈴薯無性系為試驗材料，分析確定鋅含量是否存在基因型 × 環(huán)境的互作，評價供試馬鈴薯無性系鋅含量在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性，以及估算鋅含量的廣義遺傳力，以期為富鋅馬鈴薯品種的選育提供基礎(chǔ)材料和數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

無性系名稱及其親本信息見表1。試驗共測試了21份馬鈴薯品種(系)，除N08-21-1外，其它無性系中至少親本之一是荷蘭品種或利用荷蘭種質(zhì)資源選育的無性系。N08-21-1的父本Norland是美國品種。早期世代主要對雜交后代的適應(yīng)性進(jìn)行選擇，包括成熟期和塊莖性狀，高世代主要對無性系的產(chǎn)量和抗病性進(jìn)行選擇，沒有對塊莖中的鋅元素含量進(jìn)行測試。試驗以炸條品種夏坡蒂(CK1)和鮮食品種克新13號(CK2)作對照。

1.2 試驗方法

2017和2018年分別在哈爾濱市和克山縣進(jìn)行試驗，選用無病健康的種薯切塊種植，每個塊莖約50 g，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，行長6 m，株距0.2 m，即每行30 株，3 行區(qū)，4 次重復(fù)。兩地壟距均采用當(dāng)?shù)胤N植模式，哈爾濱市與克山縣壟距分別為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日將2套相同的試驗材料分別播種在哈爾濱市東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽實驗示范基地和齊齊哈爾市克山縣北聯(lián)鎮(zhèn)707農(nóng)場。2017年9月20日和9月15日，2018年9月26日和9月18日分別收獲種植在哈爾濱和克山的試驗材料，收獲后的馬鈴薯塊莖貯藏于窖中。試驗地土質(zhì)為黑鈣土，土壤肥力狀況如表2所示。

表1 試驗無性系及其親本

1.3 樣品分析

馬鈴薯塊莖鋅和土壤鋅含量測定采用原子吸收光譜法。收獲后2周內(nèi)分別從每個小區(qū)中挑選具有代表性無病健康的馬鈴薯塊莖4個，流水清洗并晾干，帶皮切成大小約1 cm3薯塊。105 ℃殺青30 min，80 ℃恒溫烘至恒重。再將烘干的樣品粉碎，密封保存。樣品的消解采用濃硫酸-30 %過氧化氫消解法，將粉碎的樣品過100目篩，稱取0.1000 g烘干樣品放于凱氏瓶中，加入去離子超純水1 mL，接著加入濃硫酸5 mL，浸泡12 h后，放在消煮爐上加熱消煮。為了提升速度在加熱升溫過程中每隔20 min左右加入5～6 滴30 % H2O2，慢慢搖蕩促其消化。該過程中會發(fā)現(xiàn)瓶中溶液的顏色由最初的棕色漸漸變淺最后失去顏色變?yōu)橥该鳎链讼箅A段完成。消煮后定容至10 mL，使用日立Z-2000原子吸收分光光度計將待測液進(jìn)行測定[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 馬鈴薯品種(系)鋅含量方差分析、線性回歸分析和AMMI模型分析

注： *表示顯著差異(P< 0.05); **表示極顯著差異(P< 0.01)。

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

1.4 統(tǒng)計分析

采用DPS (V14.10) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[16]對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合方差分析和平均值比較(LSD法)。利用聯(lián)合方差分析的均方對廣義遺傳力[17]進(jìn)行估算，廣義遺傳力的置信區(qū)間由Knapp等[18]提出的公式計算。穩(wěn)定性分析采用AMMI模型[19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主效及互作效應(yīng)對馬鈴薯品種(系)鋅含量影響

由表3方差分析可知，鋅含量基因型(品種)、環(huán)境和基因型 × 環(huán)境互作效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平。從線性回歸分析中可以看出，聯(lián)合回歸、基因型回歸和環(huán)境回歸三者的互作平方和(SS)加起來占54.29 %，而殘差占45.71 %，互作平方和(SS)殘差很大且達(dá)到極顯著水平。因此，數(shù)據(jù)分析中回歸模型解釋的互作較少，回歸模型在數(shù)據(jù)的擬合上不夠理想。

而用AMMI模型對參試品種與參試環(huán)境互作進(jìn)行分解后，IPCA1和IPCA2軸都極顯著，各解釋了品種與環(huán)境交互作用的62.22 %和27.97 %，2個IPCA軸共解釋了品種與環(huán)境交互作用的90.19 %，殘差僅占品種與環(huán)境交互作用的9.81 %。將線性回歸分析和AMMI模型分析相比較可知，AMMI模型分析比線性回歸分析更為有效，能透徹地分析參試品種與參試環(huán)境的互作信息。

2.2 馬鈴薯品種(系)鋅含量及其穩(wěn)定性

由表4可知，21份品種(系)鋅含量均值為13.80 μg/g DW，變化為11.99～17.89 μg/g DW，其中，共有2個無性系(N08-14-1和H04-3-18)鋅含量高于夏坡蒂(CK1)，且差異顯著；共有12個無性系(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號(CK2)，其中3個無性系(N08-14-1、H04-3-18和N10-24-2)與克新13號(CK2)差異顯著。

以鋅含量為橫坐標(biāo)，IPCA1為縱坐標(biāo)匯制成AMMI1雙標(biāo)圖(圖1)。在水平方向上，品種比環(huán)境分散，說明品種間的變異大于環(huán)境間的變異。以IPCA1等于零作一條水平線，品種與環(huán)境在同一側(cè)表示兩者具有正交互作用，反之則有負(fù)交互作用。

表4 馬鈴薯品種(系)鋅含量及穩(wěn)定性參數(shù)

注： 同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異顯著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絕對值較大，說明這2個品種對環(huán)境敏感。品種的圖標(biāo)越接近IPCA1零值，則品種的穩(wěn)定性越好，H09-34012(V7)的IPCA1值比較接近零值，說明其穩(wěn)定性最好。

IPCA1僅能解釋品種(系)和環(huán)境交互作用的62.22 %，而IPCA1和IPCA2可共同解釋交互作用的90.19 %。以品種(系)、環(huán)境的IPCA1、IPCA2為橫縱坐標(biāo)繪制雙標(biāo)圖AMMI2(圖2)，在AMMI2雙標(biāo)圖上越靠近坐標(biāo)原點的品種(系)穩(wěn)定性越好，H09-34012(V7)離坐標(biāo)原點最近，說明其穩(wěn)定性最好；N08-14-1(V10)離坐標(biāo)原點最遠(yuǎn)，說明它的穩(wěn)定性最差，AMMI2雙標(biāo)圖反映的品種(系)穩(wěn)定性大小與表4的分析結(jié)果是一致的。此外，通過比較環(huán)境與原點連線的長短，可看出在各環(huán)境品種(系)交互作用的大小，在某一環(huán)境的品種的交互作用值可在圖2上直觀地由垂直投影的長短得出。如果投影是在連線上或穿過環(huán)境圖標(biāo)的外延線上，那么，品種在該試點有正的交互作用，表明有某種程度的特殊適應(yīng)性。品種在連線上的投影離原點越遠(yuǎn)，則該品種與此環(huán)境的正交互作用就越大，如投影落在穿過原點的外延線上，則該品種在此環(huán)境的交互作用為負(fù)，離原點越遠(yuǎn)，負(fù)的交互作用就越大。N12-39-10(V5)在2017年哈爾濱(E1)有較大的正交互作用，而N08-14-1(V10)在2017克山(E3)有較大的正交互作用；N12-39-10(V5)在2018克山(E4)有較大的負(fù)交互作用，而N08-14-1(V10)在2018哈爾濱(E2)有較大的負(fù)交互作用。

以鋅含量為橫坐標(biāo)，穩(wěn)定性參數(shù)(Dg)為縱坐標(biāo)作圖(圖3)，并且以鋅含量和Dg平均值的交點為原點把散點圖分為4個象限。處于第四象限的品種(系)鋅含量高且穩(wěn)定，處于第二象限的品種(系)鋅含量低且不穩(wěn)定，其他屬于中間型品種。由圖3可知，N10-24-2(V8)、N12-38-1(V13)、H09-34012(V7)、N11-23-8(V6)和N08-21-1(V3)處于第四象限，這5個品種(系)的鋅含量較高且穩(wěn)定性較好；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)處于第一象限，這6個品種(系)含量高但不穩(wěn)定。

V1: 克新13號；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哈爾濱；E2: 2018哈爾濱；E3: 2017克山；E4: 2018克山,下同圖1 鋅含量的AMMI1雙標(biāo)圖Fig.1 AMMI1 biplot of zinc content

2.3 馬鈴薯品種(系)Zn含量廣義遺傳力

廣義遺傳力是指所有遺傳變異占總表型變異的比率。因此，它不能預(yù)測對有性繁殖后代進(jìn)行選擇時的遺傳進(jìn)展，但能預(yù)測在一個分離群體中進(jìn)行個體選擇的遺傳響應(yīng)。以無性系(品種)均值為單位鋅的廣義遺傳力估值為0.4542，95 %的置信區(qū)間為-0.06～0.75(表5)。從本試驗的估值來看，鋅的廣義遺傳力中等大小，但與零沒有顯著差異。

廣義遺傳力是指所有遺傳變異占總表型變異的比率。因此，它不能預(yù)測對有性繁殖后代進(jìn)行選擇時的遺傳進(jìn)展，但能預(yù)測在一個分離群體中進(jìn)行個體選擇的遺傳響應(yīng)。以無性系(品種)均值為單位鋅的廣義遺傳力估值為0.4542，95 %的置信區(qū)間為-0.06～0.75(表5)。從本試驗的估值來看，鋅的廣義遺傳力中等大小，但與零沒有顯著差異。

圖(B)為圖(A)原點附近未標(biāo)識部分?jǐn)U大圖Figure (B) was an enlarged view of the unidentified part near the origin of the figure (A)圖2 鋅含量AMMI2雙標(biāo)圖Fig.2 AMMI2 biplot of zinc content

圖3 鋅含量與Dg的關(guān)系Fig.3 Relationship between zinc content and Dg

3 討 論

植物性食物通常不是人類獲取鋅的最佳來源，但是如果能夠提高大宗糧食作物(如馬鈴薯)的鋅含量無疑對改善人類微量元素缺乏狀況將大有裨益。另外，與谷物和豆類作物相比，馬鈴薯的植酸含量較低，這有利于鋅的吸收和利用[20]?，F(xiàn)有馬鈴薯資源的鋅含量變異幅度關(guān)系到采用遺傳生物強(qiáng)化的方法提高馬鈴薯鋅含量的可能性。本研究中供試測的馬鈴薯品種(系)鋅含量變化范圍不大，在11.99～17.89 μg/g DW，極差為5.90 μg/g DW，最大値比最小值高出49.21 %。Burgos 等[6]在2個地點評價了37份保存在國際馬鈴薯中心的材料鋅含量，這些材料涉及到6個栽培馬鈴薯的類群(Phureja, Andigena, Tuberosum, Goniocalyx, Stenotomum, Chaucha)，變化為9.10～17.45 μg/g DW，極差為8.35 μg/g DW。Brown 等[8]在3個試驗里共分析了36個馬鈴薯品種(系)的鋅含量，變化為12.3～16.7 μg/g DW，極差為4.4 μg/g DW。Haynes 等[9]以大西洋為對照，評價了17份4x-2x (S.tuberosum×S.phureja-S.stenotomum) 雜種后代無性系的鋅含量，變化(包括對照)為17.6～25.9 μg /g DW，極差為8.3 μg/g DW。廖虹等[10]分析云南省84個馬鈴薯品種(系)的鋅含量，變化為12.63～34.53 μg/g DW，極差為21.90 μg/g DW。從以上結(jié)果可以看出，馬鈴薯塊莖鋅含量的變化范圍可能與被測品種(系)的遺傳背景和品系(系)的多少有關(guān)，遺傳背景復(fù)雜或被測品種(系)數(shù)量多，所計算鋅含量的極差就大。

表5 馬鈴薯品種(系)鋅含量方差組分及廣義遺傳力估算(P= 0.95)

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

項目 Item鋅 Zinc方差組分σ2G0.8595σ2G×g3.5502σ2e2.3270廣義遺傳力H0.4542上限0.7545下限-0.0613

馬鈴薯中很多重要的農(nóng)藝性狀存在著基因型與環(huán)境的互作。供試驗的馬鈴薯的鋅含量存在顯著的基因型與環(huán)境的互作，這和前人的研究結(jié)果一致[6,8-9,13]。這些研究結(jié)果表明，在對馬鈴薯鋅含量進(jìn)行遺傳改良時，要在多個環(huán)境條件下進(jìn)行評價和選擇。在選育高鋅含量馬鈴薯品種時，不但要注意鋅含量高，而且還要注意其在多個環(huán)境條件下的穩(wěn)定性。以往對作物穩(wěn)定性分析多采用回歸模型，但從試驗結(jié)果來看，采用回歸模型對馬鈴薯鋅含量穩(wěn)定性進(jìn)行分析效果并不好，回歸模型僅解釋了互作平方和(SS)的54.29 %，而采用AMMI模型對馬鈴薯鋅含量進(jìn)行穩(wěn)定性分析，IPCA軸可解釋品種與環(huán)境交互作用變異的90.19 %。從試驗結(jié)果來看，馬鈴薯鋅含量穩(wěn)定的品種(系)鋅含量一般均較低，但從供試的馬鈴薯品種(系)中仍能選出鋅含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定的品種(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鋅含量低于夏坡蒂(CK1)，但沒有顯著差異，且N10-24-2鋅含量顯著高于克新13號(CK2)。

馬鈴薯是無性繁殖作物，雜交后不會產(chǎn)生分離。因此，估算馬鈴薯鋅含量的廣義遺傳力對指導(dǎo)育種實踐非常有指導(dǎo)意義。通過試驗估算馬鈴薯鋅含量的廣義遺傳力為0.4542，具有中等大小，但其和零差異不顯著。Brown 等[8]對3個試驗鋅含量的廣義遺傳力分別進(jìn)行了估算，其中2個試驗的廣義遺傳力估值分別為0.19和0.29，和零均不顯著。這2個試驗供試品種(系)間的鋅含量差異均不顯著，可能是導(dǎo)致廣義遺傳力估值偏低的原因。Brown 等[8]的另一個試驗馬鈴薯鋅含量廣義遺傳力估值為0.61，且和零差異顯著。Haynes 等[9]估計的馬鈴薯鋅含量廣義遺傳力更高，達(dá)0.82，和零差異顯著。馬鈴薯鋅含量廣義遺傳力估值差異較大，這可能和所用馬鈴薯品種(系)有關(guān)。Haynes 等[9]所用的馬鈴薯品種(系)除對照品種大西洋外，均為4x-2x (S.tuberosum×S.phureja-S.stenotomum)雜種后代無性系，品種(系)間鋅含量差異較大，且差異顯著。通過試驗馬鈴薯鋅含量廣義遺傳力估值，并結(jié)合前人的研究結(jié)果，可以認(rèn)為，選育高鋅含量的馬鈴薯新品種雖有困難，但若采用合適的親本并擴(kuò)大選擇群體仍然是可行的。富鋅馬鈴薯新品種云薯304的育成就是一個成功的例子[21]。

4 結(jié) 論

馬鈴薯塊莖鋅含量變化為11.99～17.89 μg/g DW，且差異顯著。鋅含量品種(系) × 環(huán)境互作顯著，但仍然可以選出鋅含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定的無性系。馬鈴薯鋅含量的廣義遺傳力估值中等大小，為0.4542，但和零差異不顯著。選育高新含量的馬鈴薯新品種雖有困難，但若采用合適的親本并擴(kuò)大選擇群體仍然可行。