运用定量化育种理论选育不同生态经济型菊芋新品种

刘君¹  晏国生¹  郭瑞林²

（1. 廊坊市思科农业技术有限公司, 河北 廊坊 065000；2. 安阳工学院生物与食品工程学院，河南 安阳 455000）

摘要：为培育满足市场需求的菊芋新品种，在定量化育种理论与方法的指导下，运用灰关系和同异关系分析原理与方法，制定育种目标；采用单株灰色选择和同异选择原理与方法，确定优良单株；采用品种灰色多维综合评估和同异比较原理与方法，筛选显著优于大面积推广品种（对照品种）的菊芋新品种（系），成功地培育出了加工型和鲜食型菊芋新品种廊芋21、廊芋3号和廊芋5号、牧草型菊芋新品种廊芋21、廊芋8号和廊芋3号、耐盐碱型菊芋新品种廊芋8号、廊芋3号和廊芋21以及观赏型菊芋新品种廊芋31，充分说明这种理论与方法用于指导作物新品种选育切实可行。

关键词：菊芋；品种；定量化育种理论；同异育种；灰色育种

中图分类号：S512.1     文献标识码：A     文章编号：1000-7091（2018）

doi: 10.7668 / hbnxb.2018．

Breeding different ecological economical Jerusalem artichoke new varieties on the basis of the theory of quantitative breeding

LIU Jun ¹ YAN Guosheng ¹ GUO Ruilin ²

(1. Langfang Sike Agricultural Technology Co. LTD., Langfang  065000, China；2. School of Biological And Food Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang  455000, china)

Abstract: In order to screen the new Jerusalem artichoke varieties to meet the market demand, under the guidance of the theory and method in quantitative breeding, the breeding goals were set using the principle and method of grey relation and the similarity-difference relationship analysis; the superior individual plants were determined using the principle and method of individual plant grey selection and similarity-difference selection; the new Jerusalem artichoke varieties or strains which were significantly better than the variety with large extension (check variety) were screened using the principle and method of grey multidimensional comprehensive evaluation and similarity-difference comparision, and the processing type and fresh-eating type varieties, Langyu 21, Langyu No.3 and Langyu No.5, the forage type varieties, Langyu 21, Langyu No.8 and Langyu No. 3, the saline-alkaline tolerating type varieties, Langyu No.8, Langyu No.3 and Langyu 21, and the ornamental type varieties, Langyu 31 were successfully developed, which fully explains that it is feasible that the theory and method are used to guide the new crop varieties breeding.

Key words: Jerusalem artichoke; variety; quantitative breeding theory; similarity-difference breeding; grey breeding

上世纪末，随着人类对保健食品的不断研究以及新型能源的探索，菊芋在新型糖料、生物能源、功能饲料及生态治理等方面的综合价值被发现^[1,2]，规模种植开始受到发达国家的重视，法国、比利时、美国、荷兰、俄罗斯、澳大利亚、韩国、泰国等国家纷纷将菊芋列入发展计划^[3]。与此同时，也引起了我国相关部门的高度重视。2007年4月国家发展与改革委员会在发布的《生物产业发展“十一五”规划》中将菊芋列为重点发展的能源作物之一。由

此引发了我国菊芋育种事业的迅速发展^[4-6]。青海省农业科学院是我国最早开展菊芋新品种选育研究工作的单位，2000年起，他们就从原有的资源收集整理迈上了较系统的菊芋研发之旅。2004年我国第一个菊芋品种青芋1号问世^[7]，掀开了菊芋科研发展的序幕。2005年青芋2号新品种得到审定^[8]，现已成为国内尤其是北方地区的主栽品种。2009年，南京农业大学资源与环境科学学院从30个野生菊芋品系中选育出耐盐碱、耐贮性强的南菊芋1号新品种^[9]。同年，青芋3号通过青海省审定^[10]。之后，南菊芋2号^[11]、南菊芋9号^[12]和定芋1号^[13]相继培育成功。标志着我国菊芋新品种选育已进入相对稳定的发展期。然而，上述品种虽各具特色，各有千秋，但仍不能满足人们对菊芋品种的多方需求。尤其在科研水平上，与大宗作物育种相比，菊芋育种毕竟仍处于起步期，育种技术和手段还相对落后，育种工作者选育新品种基本上还停留在定性经验阶段，从而形成了育种试验周期长、盲目性大、预见性差、选育效率低的基本格局。为克服上述局限，解决上述难题，我们与2006年起，率先将定量化育种理论引入菊芋新品种选育研究工作中，在这种理论的指导下，成功地培育出了加工型、鲜食型、牧草型、耐盐碱型和观赏型等“廊芋系列品种”，使菊芋新品种选育工作在定量化、信息化和科学化的道路上迈出了重要的一步。本文将简要介绍运用定量化育种理论^[14,15]指导廊芋系列品种的选育过程，以便为菊芋新品种选育研究工作者提供有益的借鉴。

1 材料和方法

1.1 育种材料：供试育种材料廊芋1号、廊芋2号、廊芋3号、廊芋21、廊芋5号、廊芋6号、廊芋7号、廊芋8号、廊芋31、廊芋32、廊芋33、廊芋34来自廊坊市思科农业技术有限公司菊芋研究所，青芋2号为对照品种（青海省农业科学院培育而成）。

1.2 试验设计与试验地点：共三组试验。第一组试验为菊芋新品种（系）区域试验，采用随机区组试验设计，3次重复，于2012-2015年3月下旬-11月上旬分别在廊坊市思科农业技术有限公司、廊坊菊芋研究所马神庙试验基地、廊坊市广阳区炊庄试点、石家庄市农科院平山县大午庄和栾城神农福地试验基地、天津武清县石各庄试点进行。试验期间考察或化验性状包括块茎公顷产量(kg)、花后秸秆粗蛋白含量（%）、花后秸秆粗纤维含量（%）、花后秸秆粗脂肪含量（%）、块茎总糖含量（%）和块茎果聚糖含量（%）；第二组试验为菊芋新品种（系）耐盐碱鉴定试验，采用随机区组设计，3次重复，于2010-2012年3月下旬-11月上旬分别在河北省农科院滨海农业研究所、唐山市唐海试验点、天津宁河玉米试验站进行，试验期间考察性状包括株高（cm）、茎粗（cm）、整齐度、单株块茎数、公顷产量（kg）；第三组试验为观赏型品种比较试验，采用随机区组设计，3次重复，于2015-2016年3月下旬-11月上旬在廊坊市思科农业技术有限公司、廊坊菊芋研究所马神庙试验基地进行，试验期间考察性状包括初花期时间（d）、花期天数（d）、公顷鲜秸秆产量(kg)、公顷块茎产量（kg）。各试点地势平坦，肥力均匀，符合试验田要求。

1.3 分析方法：采用品种灰色多维综合评估与品种同异比较原理与方法对试验结果进行分析。试验数据处理在作物灰色育种电脑决策系统和作物同异育种智能决策系统中运行。具体方法参见文献[16]、[17]、[18]和[19]。

2 结果与分析

2.1 菊芋新品种定量化育种技术流程

多年来，在定量化育种理论的指导下，形成了一条独具特色的菊芋新品种选育技术流程。简要概括如下：运用生态学理论、市场需求理论、灰关系分析和同异关系分析原理与方法，确立适宜的育种目标→运用亲本灰色分类和亲本同异分类原理与方法，对亲本进行分类，在亲本选配四原则的指导下，配制杂交组合^[20]→运用杂交组合灰色评判和同异评估原理与方法，综合评价F₁杂交组合，确定组合优劣→运用单株灰色选择和同异选择原理与方法，对F₂及以后世代田间中选单株进行多目标性状评价与选择→运用灰色多维综合比较和同异比较原理与方法，对品系鉴定试验或品种比较试验的优良品系进行多目标性状综合评价→运用品种灰色布局和同异布局原理与方法，筛选适宜不同生态区域种植的品种或品种群→运用品种灰色相似性栽培和同异栽培原理与方法，在新品种推广的当年，直接实现良种与良法的配套→运用作物病虫害灰色预测原理与方法，对菊芋病虫害发生趋势进行预测，提出预警。

2.2育种目标的确立及主要性状之间的关系

开展菊芋新品种选育，首先应明确育种目标。为此，我们在生态学理论和市场需求理论的指导下，针对京津冀区域生态条件和市场需求，分别确立了以满足加工需求、食用需求、畜用需求和景观需求的加工型、鲜食型、牧草型和观赏型菊芋新品种为主要育种目标。在此基础上，为了明确各育种目标性状之间的主次关系，运用灰关系和同异关系分析原理与方法，利用多年积累的菊芋育种试验数据（略），对育种目标性状之间的相互关系进行分析，进一步明确了不同育种目标下各选育性状彼此之间的重要程度或权重值（表1），从而为开展菊芋新品种选育工作奠定了坚实基础。

表1 不同育种目标下各主要选育性状的权重值

Table 1 the weight value of each main breeding trait under different breeding targets 

由表1可知，不同育种目标其选育性状有所不同，而且各选育性状在选育过程中的重要程度也是有所区别的。如果育种目标定位在加工型品种的选育上，则在选育过程中应当重点考虑单株块茎产量和单株块茎个数；如定位在鲜食型品种的选育上，则应侧重对果聚糖含量(%)、总糖含量（%）、块茎水分（%）等性状的选择；如定位在牧草型品种的选育上，则应重视对单株秸秆鲜重（kg）和单株生物产量等性状的选择；如定位在观赏型品种的选育上，则应特别加强对开花期时间（d）和花期天数（d）等性状的选择。

2.3 不同生态经济型菊芋新品种的选育

按照定量化育种技术流程，育种目标一旦确定，即应在亲本灰色分类（或亲本同异分类）和亲本选配四原则指导下，配制杂交组合。但考虑到菊芋新品种选育目前还处于起步阶段，尚不具备开展杂交育种的条件，因此，于2006年始，在广泛收集300余份国内外菊芋种质资源的基础上，采用系圃选择的方法，从中选择符合育种目标的变异株，通过单株灰色选择或同异选择原理与方法^[21]，确定一等单株、二等单株和三等单株：一等单株在下一代进行重点观察和选择，二等单株继续保留种植，三等单株则淘汰。这样，经过连续多年的选择，株系稳定，再参加品系鉴定或品种比较试验。试验过程中，采用品种灰色多维综合评估或品种同异比较原理与方法，终于从中筛选出显著优于大面积生产推广品种青芋2号（对照）的廊芋系列菊芋品种^[22]。

2.3.1 加工型菊芋新品种廊芋5号、廊芋21和廊芋3号的选育 

对参加品种（系）比较试验的品种（系）块茎公顷产量（kg）、秸秆花后粗蛋白(%)、花后秸秆粗纤维(%)、花后秸秆粗脂肪(%)、块茎总糖含量(%)、块茎果聚糖含量(%)等6个性状的试验结果（表略）进行分析。由灰关联度法^[16,17]可知，以加工型为主要育种目标，上述6个性状的权重分别为0.1489、0.1422、0.1332、0.1355、0.2256和0.2146，显然块茎总糖含量和块茎果聚糖含量在加工型品种选育过程中具有举足轻重的作用。品种同异比较分析表明，在9个参试品种（系）中，廊芋21为强同势品种，综合同一度最大（0.8213），不仅块茎公顷产量最高，而且加工品质性状也表现较好，综合性状显著优于其它品种；其次为廊芋3号，6个性状综合同一度为0.7885，其块茎果聚糖含量、块茎总糖含量、花后秸秆粗脂肪含量、花后秸秆粗纤维含量均表现优异，而且块茎公顷产量也表现突出；廊芋5号块茎总糖含量和块茎果聚糖含量最高，显而易见是优良加工型品种，不足之处是公顷产量较低。

品种灰色多维综合评估同样证实廊芋5号、廊芋21、廊芋3号综合性状表现较好。6个性状与育种理想性状的灰色综合关联度分别达到0.6986、0.6779和0.6584。

表2 菊芋新品种（系）6个性状综合分析（以加工型为主要育种目标）*

Table 2  Comprehensive analysis of 6 characters for Jerusalem artichoke new varieties (or strains) (processing type as the main breeding objectives)

品种（系）名称 Variety (strain) name	综合同一度 Integrated identity degree	灰色综合关联度 Grey integrated relational degree	同异比较分析位次 Sort of similarity-difference comparison analysis	灰色多维综合评估位次 Sort of variance analysis for yield
廊芋1号 Langyu No.1	0.7583 b	0.6224	4	4
廊芋2号 Langyu No.2	0.6070 c	0.4677	9	9
廊芋3号 Langyu No.3	0.7885 b	0.6584	2	3
廊芋21 Langyu 21	0.8213 a	0.6779	1	2
廊芋5号 Langyu No.5	0.7753 b	0.6986	3	1
廊芋6号 Langyu No.6	0.6879 c	0.5262	7	8
廊芋7号 Langyu No.7	0.7322 b	0.5660	5	6
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