應用GGE雙標圖分析丹參雜種一代品系的穩定性和適應性△

陳萌，魏建和，金鉞，隋春，楊成民

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 藥用植物研究所 教育部重點實驗室 瀕危藥材繁育國家工程實驗室，北京 100193)

·中藥農業·

應用GGE雙標圖分析丹參雜種一代品系的穩定性和適應性△

陳萌，魏建和，金鉞，隋春，楊成民*

(中國醫學科學院 北京協和醫學院 藥用植物研究所 教育部重點實驗室 瀕危藥材繁育國家工程實驗室，北京 100193)

目的：評估丹參雜種一代品系的穩定性和適應性。方法：采用GGE雙標圖模型，分析5個丹參雜種一代品系和2個生產對照種質開展一年多點試驗數據，評價了參試材料單根重和有效成分含量的表現及穩定性，同時考察了4個試驗點的區分力和代表性。結果：在北京海淀，H4的單根重和丹酚酸B適應性好，穩定性高；在北京密云，H4和H16的單根重和有效成分的適應性好，穩定性高；在陜西商洛，H24的單根重和有效成分適應性好，穩定性高；在河南方城，H24的丹酚酸B含量高，適應性好。通過分析環境的區分力和代表性可以確定丹參雜種一代的選育區及篩選區，北京海淀和河南方城分別作為選育高產、高丹酚酸B含量為目標和高脂溶性成分為目標的選育地點。品系需要在具有區分力的環境作進一步淘汰，在北京密云淘汰產量低的品系，在河南方城淘汰脂溶性成分含量低的品系；在陜西商洛淘汰脂溶性成分含量低的品系。結論：應用GGE雙標圖評價分析方法可以較好地分析丹參雜種一代品系的穩定性和適應性，可為確定篩選出優良品種、確定丹參選育試驗地點和科學的建立丹參區域試驗點提供科學參考。

丹參雜種一代品系；區域試驗；適應性；穩定性；GGE雙標圖

丹參為唇形科鼠尾草屬多年生草本植物丹參SalviamiltiorrhizaBge.干燥根及根莖[1]。丹參中含有水溶性酚酸類和脂溶性丹參酮類等藥效成分[2]，具有活血化瘀、鎮靜安神、涼血消癰等功效，尤其對心血管類疾病有顯著的療效[3]，是我國種植面積和使用量最大的常用藥材之一。但種質混雜、無良種、各產地產量和有效成分含量差異大是丹參生產上面臨的主要問題。楊新杰等[4]提出了丹參質量性狀受到遺傳和環境飾變的雙重作用，其中以遺傳主導型為主，環境飾變型為輔。因此，選育品質優良的新品種可以從種質源頭上保障丹參生產的穩產、高產、高含量，目前已選育出11個新品種[5]。新品種的穩定性評價一直是農作物審定和推廣的重要依據，我國的主要農作物新品種是通過國家級或省級區域試驗站進行第三方評價[6]，但藥用植物新品種目前尚不具備這些條件。如何科學評價環境對藥用植物新品種(或品系)的影響及藥用植物新品種(或品系)產地適應性和穩定性，發現適合丹參產區推廣的優良品種或品系，一直缺乏合理、規范、科學的分析方法。

基因型主效應及其與環境互作(genotype main effect plus genotype-environment interaction，GGE)雙標圖是研究基因型與環境互作以及不同環境下作物品種(或品系)產量、品質穩定性的新方法，該模型采用環境中心化后數據，結果中只含有與品種評價有關的G(品種效應)和GE(品種與環境互作效應)，是分析多點試驗數據的理想工具。穩定性是基于品種與環境互作效應的大小做出的評價：互作效應越大，說明該品種對環境越敏感，表現就越不穩定，反之亦然[7]。迄今，GGE雙標圖法已應用于燕麥[8-9]、煙草[10]、棉花[11]、小麥[12]農作物品種或品系的區域試驗中，主要用于鑒別各地點的最佳品種及區域劃分、品種的平均表現及穩定性、試驗地點的區分能力和代表性等。并且GGE雙標圖法也可應用于一年多點試驗數據分析，同樣達到較高的精確度[13-15]。目前GGE雙標圖法尚未應用于藥用植物的品種和品系分析中，尤其對于易受環境影響的次生代謝產物的適應性和穩定性評價應更具意義。

課題組在丹參新品種選育過程中發現不同品系在不同產區的區域試驗中的產量和有效成分含量存在顯著差異，受環境影響明顯。本研究以5個丹參F1代品系及2個生產對照為材料，應用GGE-Biplot軟件，采用GGE雙標圖模型分析了試驗材料的表現，以揭示出一年多點試驗不同雜種一代品系的產量和品質性狀的表現及其穩定性，同時評價試點的代表性和區分力，為篩選出優良生態適合性的丹參雜種一代新品種，以及確定丹參選育試驗地點和建立丹參區域試驗點提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

參試材料H4、H24、H15、H16、H20，均為中國醫學科學院藥用植物研究所選育的雄性不育系DPS101與5個四代自交系雜交得到的F1代品系，其中H4和H24已于2014年分別被鑒定為新品種“中丹藥植1號”和“中丹藥植2號”[16]。對照為河南和陜西的生產種質為(HNCK和SXCK)。分別在北京海淀、北京密云、河南方城和陜西商洛設置試驗地點。

2013年9月在北京海淀中國醫學科學院藥用植物研究所實驗基地統一育苗，2014年3月移栽到試驗點；隨機區組設計，三次重復，每重復種植30株苗，行距60 cm，株距25 cm。2014年11月中旬采挖。

1.2 調查方法

每重復隨機取15株完整根系，自然陰干后稱重。所有樣品粉碎后過4號篩，采用文獻中的方法[17]測定丹酚酸B、丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA的含量。

1.3 數據分析

1.3.1 GGE雙標圖 研究基因型與環境互作及其不同環境下作物品種產量穩定性時，某一性狀的試驗數據為表現型(P)，可以分解為P=M+E+G+GE，其中M為多點試驗環境總體平均值，E為環境主效應，G為品種主效應，GE為品種-環境互作效應。通過數據中心化，可以從數據中移除M、E，形成一個環境中心化的兩向表。再將雙向表進行特征值分解，得到各品種及環境的主成分表，以第一主成分(PC1)為橫坐標，第二主成分(PC2)為縱坐標，得到GGE雙標圖[18]。

1.3.2分析方法 參試品系的適應性分析：將同一方向上距離原點最遠的品系連接起來形成一個多邊形，其他品系也包括在該多邊形內，通過原點向各多邊形的各邊作垂線，稱為平均線，把多邊形分成了幾個扇形，位于頂點的品系是扇形區域內所有試點表現最佳的品系。

參試品系的表現及其穩定性分析：以圓圈代表平均環境，帶箭頭的直線表示平均環境軸，所指的方向為品系在所有環境的近似平均表現；與平均環境軸垂直并通過原點的帶雙箭頭的直線代表品種與環境的互作的傾向性，越偏離平均環境軸表示品系越不穩定。

試驗點的代表性和區分力分析：圖中連接原點和環境變量的直線稱為向量，2 個環境向量間夾角的余弦近似于它們之間的遺傳相關系數，夾角小于90°表示正相關，大于90°表示負相關，接近90°表示無相關。正相關表明兩環境對品系排序相似，負相關表明兩環境對品系排序相左。環境向量的長度是試驗點對品系區分能力的度量，圖中的圓圈代表平均環境，它的位置取決于各試驗環境坐標的平均值，帶箭頭的直線通過雙坐標的原點和平均環境，試驗點向量與平均環境向量的角度是其對目標環境的代表性的度量，角度越小，代表性越強。

1.3.3 數據處理 數據采用Excel和SPSS 20 統計軟件對數據進行平均值和方差分析。GGE雙標圖構建采用軟件GGE biplot(http：//www.ggebiplot.com)。

2 結果與分析

2.1 丹參參試材料的單根重和有效成分含量表現

2.1.1 丹酚酸B含量 從表1可知，丹酚酸B含量排名前3位的分別為H24、H4和HNCK，顯著高于其他樣品。H24和H4分別比2個對照的平均值分別提高5.91%和5.62%。4個試驗點中5個品系進行均值分析表明北京密云的丹酚酸B含量最高，其次為北京海淀。H15(在4個地區)和H20(在北京海淀、密云)的丹酚酸B的含量小于3.0%，未達到《中華人民共和國藥典》標準。

2.1.2 丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量 從表1可知，丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量排名前3位的分別為H24、H16和H4，其中H24顯著高于其他樣品。H24、H16和H4比2個對照平均值分別提高30.74%、8.40%和-0.02%。4個試驗點中5個品系進行均值分析表明北京密云平均含量最高，其次為北京海淀。在4個地區種植的樣品均達到《中華人民共和國藥典》的標準，即丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA的總量不得低于0.25%[1]。

表1 丹參參試材料在各試點的有效成分含量

2.1.3 單根重 從表2可知，5個材料的平均單根重顯著高于2個對照。其中排名前3位的分別為H16、H4和H24，比2個對照的平均值均增產50.0%以上。4個試驗點中，5個品系進行均值分析表明北京海淀的平均單根重最高，其次為陜西商洛。

表2 丹參參試材料在各試點的單根重

2.2 基于GGE雙標圖分析丹參參試材料的適應性和穩定性分析

橫坐標代表第一主成分(PC1)，縱坐標代表第二主成分(PC2)，兩者表示雙標圖的擬合度，即兩向表中總變異的百分數。PC1+PC2越大，擬合度越高，表示雙標圖能更好的近似實際數據。當擬合度大于80%時，得到的關系或規律接近真實[18]。以圖1A為例解讀擬合度信息：PC1解釋了81.7%數據變異平方和，PC2解釋了16.6%數據變異平方和。PC1和PC2一共解釋了98.3%的數據平方和(Sum=98.3%)。本實驗中三個評價指標的擬合度均在80%以上。

2.2.1 丹酚酸B含量 從圖1A適應性分析可知，GGE雙標圖將4個試驗點分為兩組，河南方城和陜西商洛為第一組；北京海淀和北京密云為第二組。第一組中H24、SXCK表現最好；第二組中H4表現最好，H15和H20在第二組中表現都不好。從圖1B分析丹酚酸B含量，H24含量最高，其次是SXCK，H20和H15的含量低于總體水平。穩定性看，HNCK、H24、H4、H16和H15的穩定性好，H20、SXCK穩定性差。

2.2.2 丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量 從圖1C適應性分析可知，GGE雙標圖將4個試驗點分為三組，北京海淀和河南方城為第一組；陜西商洛為第二組；北京密云為第三組。第一組無表現優良的品系；第二組H24和HNCK表現最好；第三組H16表現最好。H15和H20在各試驗點表現都不好。從圖1D可知，H24含量最高，其次是HNCK、SXCK、H4和H16，H15和H20的含量低于總體水平。從穩定性看，SXCK和H20穩定性最好，其次為H4和H24，其他材料穩定性差。

注：A.丹參參試品系的適應性試驗中丹酚酸B含量；B.丹參參試品系的穩定性試驗中丹酚酸B含量；C.丹參參試品系的適應性試驗中丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量；D.丹參參試品系的穩定性試驗中丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量；E.丹參參試品系的適應性試驗中單根重；F.丹參參試品系的穩定性試驗中單根重。圖1 GGE雙標圖分析丹參參試品系的生態適應性和穩定性

2.2.3 單根重 從圖1E適應性分析可知，GGE雙標圖將4個試驗點分為兩組，北京密云、陜西商洛和北京海淀為第一組；河南方城為第二組。第一組H4和H16表現最好，H20和H24表現一般；第二組H15表現最好。HNCK和SXCK在各試驗點表現都不好。從圖1F可知，H4單根重最高，其次是H16、H24、H20和H15，HNCK和SXCK的產量低于總體水平。從穩定性看，H20和H24的穩定性好，其他品系和對照的穩定性差。

從表3可知，在北京海淀H4的單根重和丹酚酸B適應性好，穩定性高，適合在該地區推廣種植；在北京密云H4的單根重和有效成分的適應性好，穩定性高；在陜西商洛H24的單根重和有效成分適應性好，穩定性高；在河南方城H24適合該地區種植。

表3 基于GGE 雙標圖的各地區產量和有效成分含量的表現

2.3 基于GGE雙標圖分析試驗點的區分力和代表性

區分力和代表性是對試驗點評價的重要指標，理想的試驗地點應當具備兩個條件，一是對參試品種有較強的區分能力，二是對目標生態區有較強的代表性。沒有區分能力的試驗點是無用的，有區分能力但沒有代表性的試驗點可用于淘汰不穩定的品種，但不能用于選擇優良品種。只有既有區分力又有代表性的試驗點才能用來有效的選擇高產、高含量、穩產的品種。

2.3.1 丹酚酸B含量 從圖2A可知，河南方城的區分力最強，其次為北京海淀。就代表性而言，4個地區間存在正相關，其中北京密云和北京海淀為緊密正相關。陜西商洛的代表性最強，其次為北京海淀，河南方城的最差。綜合而言，北京海淀的區分力和代表性都較好，可用于篩選優良品系，河南方城的區分力強，可用于淘汰低丹酚酸B含量的品系。

2.3.2 丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量 從圖2B可知，陜西商洛的區分力最強，河南方城和北京密云相當，北京海淀最差。就代表性而言，除陜西商洛和北京密云間呈負相關外，其他兩地區間呈正相關。北京海淀的代表性最強，陜西商洛最差。綜合而言，河南方城的區分力和代表性都較好，可用于篩選優良品系，陜西商洛的區分力強，可用于淘汰低脂溶性成分的品系。

2.3.3 單根重 從圖2C可知，北京密云的區分力最強，其他3個地區的區分力相當。就代表性而言，4個地區間存在正相關，其中北京密云和陜西商洛為緊密正相關。北京海淀的代表性最強，河南方城最差。綜合而言，北京海淀的區分力和代表性都較好，可用于篩選優良品系，北京密云的區分力強，可用于淘汰低產的品系。

注：A.丹酚酸B含量；B.丹參酮I、隱丹參酮和丹參酮ⅡA總含量；C.單根重。圖2 GGE雙標圖分析試驗點的代表性和區分力

3 討論

GGE雙標圖法和傳統的算術平均值法的算法有所不同，相應的結果也有區別，如SXCK的丹酚酸B含量顯著低于H4、H24和HNCK(表1)，而GGE分析結果則將SXCK排在第2位，僅次于H24(圖1B)。同樣的結果出現在水稻品系評價的試驗中[19]。這是由于雙標圖中的計算用到了參試品種在實驗點的所有數據，遠遠多于重復值的平均值的數據，GGE雙標圖中給出的估算值使得品種在每一地點的平均產量或含量偏向該品種總的平均值，顯得更加精確和可靠。

環境對農作物的影響主要體現在產量上，產量的高低不影響農作物的可用性。不同于農作物，藥用植物是一種以有效成分為經濟性狀的特殊的作物，且含量容易受到環境的影響[20]。有效成分含量是否達到《中華人民共和國藥典》的標準，直接決定藥材的可用性，因此對品系有效成分含量的評價要優先于對產量的評價。嚴威凱等[18]特別指出(作物的)產量的穩定性只有和高產相結合才有意義。這提示我們在確定各地區適宜栽培品種時，應綜合考慮各性狀的適應性和穩定性，只關注適應性或只關注穩定性的做法是不可取的，如在河南方城和陜西商洛，SXCK的丹酚酸B的適應性雖好(圖1A)，但穩定性差(圖1B)，說明該種質混雜度高；又如H20的脂溶性成分含量穩定性好(圖2D)，但在4個試驗點含量都不高(圖2C)，不適合在這4個試驗點作為優良品種種植。當H4和H24分別種植在北京密云和陜西商洛時，單根重和有效成分含量表現好，穩定性高，適合在當地推廣種植。同時對那些在某一特定環境下，某些性狀具有突出表現的品種，可以用于特殊用途的品種推廣，如H4種植在北京海淀時，單根重和丹酚酸B的表現好，穩定性高，可用于水溶性成分的提取。

通過分析環境的區分力和代表性可以確定丹參選育區及區域篩選區，如選育高產、高丹酚酸B含量為目標，可以將北京海淀作為選育地點；如選育高脂溶性成分為目標，可以將河南方城作為選育地點。當選育的雜種一代新品系需要在具有代表性的環境作進一步淘汰不良品系時，在北京密云淘汰產量低的品系，在河南方城淘汰脂溶性成分含量低的品系；在陜西商洛淘汰脂溶性成分含量低的品系。值得注意的是目前的結論是基于一年多點的數據得出初步的提示性結果，由于品種生態劃分的結論對原種和品種推薦有長期的影響[21]，要為在不同地區建立丹參選育基地或區域試驗基地提供可靠的科學依據，還需進行多年試驗數據方可確定。

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GGEBiplotsinStabilityandAdaptationEvaluationforHybridF1SalviamiltiorrhizaLines

CHENMeng，WEIJianhe，JINYue，SUIChun，YANGChenmin*

(InstituteofMedicinalPlantDevelopment，ChineseAcademyofMedicalSciencesandPekingUnionMedicalCollege，MinistryofEducationKeyLaboratory，NationalEngineeringLaboratoryofEndangeredMedicinalBreeding，Beijing100193，China)

Objective：To evaluate the stability and adaptation of single root weight and active compounds content of hybridSalviamiltiorrhizaBge F1 lines.Methods：GGE-biplot had been applied to analyze the stability of yield and quality traits，representativeness and discrimination of testing site，with 5 F1 hybrid lines and 2 production germplasm planted in four different testing sites.Results：H4 had better performance and stability at yield and salvianolic acid B content in Haidian of Beijing；H4 and H16 had better performance and stability at yield and active compounds content in Miyun of Beijing；H24 had better performance and stability at yield and active compounds content in Shangluo of Shanxi；H24 had better performance and stability at yield and lipophilic ingredients content in Fangcheng of Henan.The breeding region and selection region ofS.miltiorrhizaF1 lines could be modified through the analysis of testing site’s representativeness and discrimination.Through the analysis of testing site’s representativeness，the breeding region ofS.miltiorrhizacould be determined：Haidian of Beijing and Fangcheng of Henan had better representativeness at salvianolic acid B and lipophilic ingredients content，respectively.When planted in Miyun of Beijing cultivars with low yield could be eliminated，while Fangcheng of Henan and Shangluo of Shanxi could eliminate cultivar with low lipophilic ingredients content.Conclusion：GGE-biplot was a rational method for stability and adaptation evaluation ofS.miltiorrhizaF1 lines，and could assist us to select good culture and suitable test site.It provides scientific basis for the establishment of breeding site and selection site ofS.miltiorrhiza.

SalviamiltiorrhizaBge hybrid F1 lines；regional trial；stability；adaptation；GGE-biplot

國家自然科學基金(81303212)；高等學校博士學科點專項科研基金(20131106110033)；中組部“萬人計劃”科技領軍人才(2015)

] 楊成民，副研究員，研究方向：中藥材栽培育種研究；E-mail：cmyang@implad.ac.cn

10.13313/j.issn.1673-4890.2017.6.015

2016-11-17)

*[