作物育种实验技术PPT课件.ppt

第十三章育种试验技术 作物育种主要是在田间条件下实施 无论是采用哪一种育种技术 最后的决选都必须在田间完成 第一节作物育种的田间试验技术在育种计划的实施中 鉴定和选择主要是通过田间试验进行的 田间试验的基本要求 环境条件的一致性 原因 作物本身 无论是个体还是群体 表现的所有特征特性都是基因型 环境条件相互作用的结果 要正确地鉴定和选择优良的基因型 必须尽力消除实验中环境条件的差异 田间试验正确与否 直接影响鉴定和选择的效果 从而影响育种的成效 2 一 田间试验设计的要求与原则 作物育种田间试验设计的主要作用 减少实验误差 提高实验精确度 使育种材料在选择和鉴定过程中表现出真实准确的基因差异 实验误差的主要来源 试验田的土壤差异 因此对实验田的基本要求是前茬一致 地力均匀 使试验误差降低到最小程度的3项田间设计的基本原则 1 重复的设置 2 小区随机排列 3 局部控制 在育种试验的不同阶段 由于种子质量等因素的限制 不可能都采用设计重复的试验技术 因此 试验小区的设计对育种试验来说就显得尤为重要 3 二 实验小区设计技术 试验圃 依据育种试验的要求 育种实验田通常划分为若干个地段 每一地段种植一个育种阶段的材料 这样的地段通常称为试验圃 小区 试验圃内种植同一试验阶段的不同试材 这种种植不同试材的地段称为小区 一 小区的面积小区面积的大小视土壤肥力差异 作物种类和育种的不同阶段而定 土壤差异大 小区面积要相应大些 土壤差异小 小区可适当小些 育种的早期阶段小区的面积可小些 后期阶段可适当大些 从作物的种类看 种植密度较大的小株作物 如稻 麦等 实验小区面积可小些 一般可变动在5 15 种植密度较大的大株作物 如棉花 玉米 甘蔗等 实验小区面积应大些 一般可变动在15 25 的范围内 4 二 小区的形状 小区的形状 指小区的长宽之比 一般来说 长方形小区 尤其是狭长形小区 常常比方形小区试验误差小 由于 只要小区排列方向和试验地的肥力方向相平行 则各小区所受土壤肥力的影响一致 从而减轻了小区间的试验误差 但狭长小区易于增加边际效应 5 6 三 边际效应和生长竞争 边际效应 指小区两边和两端的植株 由于占有较大的空间而表现出的差异 在试验田的边行小区 由于与矮秆作物或走道相邻 其边行的实际产量要比小区中间行高得多 其他性状 如抗倒伏性也有很大差异 小区两端 纵向 的植株 由于与走道和间隔道相邻 因此 两端植株的产量也要比小区中间的高出很多 其他性状表现也有较大差异 生长竞争 指相邻小区之间 由于株高和株型等差异 使其各自的性状表现互相受到影响 这种影响因不同性状和形状的差异程度而异 如分蘖较多或植株较高的试材 小区边行会获得优于中间行的产量 同时还会抑制相邻小区边行产量 生育期较短的小区试材能为邻近生育期长的小区试材提供有利条件等等 7 对边际效应和生长竞争的影响的处理办法 在小区的面积上 除去可能受影响的边行和两端 以减少试验误差 至于去掉几个边行则要看边际效应和生长竞争的大小以及作物种类 一般 小区的每一边可除去1 3行 两端可除去0 3 1m 留下的面积为计产面积 观察记载和产量测定均应在计产面积上进行 8 9 10 三 不同育种阶段的试验技术 一 选种圃 二 鉴定圃 三 品系比较试验 11 一 选种圃 种植杂交组合各世代群体材料的地段称选种圃 有时也将种植F1 F2的地段称为杂种圃 选种圃用来种植选育中当选的单株后代 杂交育种中的F1 F2以及F2以后的分离世代 由于这阶段的主要工作是从分离的群体中选择优良单株 种子量较少 因而一般不设置重复 小区种植的行长和行距视不同作物而定 一般每隔9行 即逢10的行号种植对照以便于比较和选择 在作物生育期间 目测鉴定主要性状 如生育期 株高 抗病虫害性能 抗倒性以及其他对不良环境条件的反应等 一般不计产量 依据目测结果 从优良的株系中选择优良单株 继续进行株行试验 而将性状相对稳定一致的优良株系 翌年升入鉴定试验 12 13 14 15 二 鉴定圃 鉴定圃种植由选种圃中入选的株系 根据选种圃入选株系数目的多少 设计鉴定试验 如果株系数目较多 可设置初级鉴定试验 然后再选择数目较少的株系进入鉴定试验 如果株系数目较少 则可直接进行鉴定试验 1 初级鉴定试验进入初级鉴定试验的株系数目一般较多 而每一株系的种子量又较少 所以一般不设重复 采用间比法 即每隔几个小区设一个对照小区 小区行数以及种植方法如行长 行距等视作物而定 作物生育期间 除了对适于目测的性状进行目测鉴定外 要对产量性状进行比较 根据试验结果 选出较好的株系升入高一级的鉴定试验 初级鉴定试验分析产量结果时 应以每一株系小区的实际产量与相邻最近的两个对照小区的平均产量进行比较 以百分率来表示株系的产量潜力 应用几个对照的平均产量为标准的目的 是为了减少偶尔有点产量过低的对照的影响 不设重复的试验法的优点是工作简便 可以同时容纳较多的育种材料进行鉴定 适用于进行初级鉴定的早期 16 17 18 2 鉴定试验鉴定试验是对初级鉴定试验或选种圃中入选的稳定株系进行进一步的田间鉴定 在鉴定试验中 要设置重复 采用顺序排列的间比法试验设计 每一重复中仍设置对照小区 其排列方法是 在一排地段上 排列的第一个小区和最末尾的小区一定是对照 CK 小区 每两个CK小区中间排列相同数目的处理小区 一般习惯上为4或9个 重复2 3次 各重复可排成一排 也可多排 如果在一排地段上不能安排一个完整重复的所有小区 则可在下一排地段延续下去 但在开始时仍要种一对照 称为额外对照 ExCK 如图18 1 每一试验材料在一重复中排列的顺序相同 便于观察 记载和产量测定 19 三 品系比较试验 品系比较试验是在育种单位的育种程序中进行的最后一项田间试验 这是在选择育种程序中的习惯叫法 也称为品种比较试验 1 品系比较试验的田间设计品系比较试验一般适宜采用随机区组设计 重复3 4次 采用完全随机区组设计时 参试品系数目一般以10个左右为宜 最多不超过20个 随机区组设计有较好的局部控制作用 由于每一套品系都处在均匀一致的试验条件下 相互比较时可以获得较为可靠的结果 而各个区组间的地力差异也可以通过方差分析中平方和的分解加以清除 各品系在区组中随机排列 可获得无偏的误差估计 20 为了减少试验误差 在安排随机区组设计的区组和小区时 小区的长边应与土壤肥力方向平行 区组的划分应与土壤肥力方向垂直 如图18 2右边额设计时正确的 左边的是错误的 肥力 梯度 图18 2田间小区的形状 表示区组或重复 21 22 三 品系比较试验 区组内小区的形状以长方形为好 这样可以使各个小区尽可能邻近 其占有的土壤类型比较相近 不至于使小区间肥力产生差异悬殊的弊病 在试验中 许多品系种在一起 即使是自花授粉作物 也很难避免品系间天然异交的可能性 至于常异花授粉作物和异花授粉作物 则发生生物学混杂的可能性更大 所以不应将第一年试验所收的种子 再作第二年试验之用 而应采用另外繁殖的纯种 尤其是对照品种必须具有原有品种的典型特征 而不能使用已发生混杂退化的种子 否则 会降低品系间鉴定评选的标准 23 24 品系比较试验的结果分析 完全随机区组实验的结果分析 应用两向分组单个观察值资料的方差分析法 例 有一棉花品系比较试验 参试品系共有7个 采用完全随机区组设计 4次重复 小区实收面积50 其产量结果见表1 产量的方差分析结果见表2 25 表18 1顺序排列记载示意表 在鉴定圃中入选的优良株系称为品系 然后升入品系比较试验 26 表1 棉花品系比较试验的产量结果 品系 TtxiA7 318 678 378 4132 498 12B7 456 958 477 3230 287 58C7 307 307 307 0428 947 24D8 488 378 408 2933 548 39E7 969 027 808 6333 418 35F7 388 137 557 6830 747 69G6 657 597 026 8529 017 25T52 6256 0355 8153 95T 218 41 27 表2 棉花品系比较试验产量的方差分析结果 变异来源DFSSMSFF0 05F0 01区间组31 120 371 853 165 09品系间65 750 964 80 2 064 0误差183 600 20总变异2710 47 28 表2的结果分析结果表明 区间组F测验不显著 说明区组排列顺序方向的地理差异较小 品系间F测验极显著 说明供试品系的产量有极显著差异 但品系间存在的显著差异 要进一步进行多重比较试验 品系比较试验的多重比较有多种方法 常用的有 最小显著差异法 LSD 和新复极差法 SSR 这里以SSR法为例 说明品系平均数间相互比较的方法 解 SE mse n 0 20 4 0 224 MSe是误差项均方值 n为重复数 查SSR 查得MSe具有的自由度下 P 2 3 K的SSR 值 P为两极差间所包含的平均数个数 为显著水平 进而计算各个P值下的最小LSR 值 LSR SE SSR 将各平均数按大小顺序排列 用各个P值下的LSR 值来检测各平均数两极差的显著性 凡均数两极差 LSR 为差异不显著 凡两极差 LSR 者为差异显著 多重比较结果一般用字母标记法 请老师讲解 29 根据品系比较试验结果 再根据田间观察资料 最简单的评估方法是计算变异系数 CV 作为相对实验误差的评价指标 CV Se x 100 式中Se是误差均方的根值 X为全试验田的平均数如上述棉花品系比较试验的相对实验误差为 CV 0 2 218 41 28 100 5 7 试验质量高时 相对误差为5 左右 较差的在12 以上 目前我国规定作物品种区域试验相对实验误差超过15 的试点的资料予以剔除 不参加联合分析 30 四 生产试验 多点实验与品系繁殖试验 品系比较试验是育种单位对所有参试品系 按照小区试验的设计在同一地点的同一条件下进行的综合性状测试 多点实验可选择若干地点 仍按小区实验设计进行 生产试验是选择少数优良的品系 按照大田的生产条件 种植密度和技术措施在较大面积 300 600 上对品种的丰产性 适应性 抗逆性等进一步验证 同时总结配套栽培技术 供品种推广应用时参考 另外 为了加速试验进程 在品系比较试验的同时 应该设立优良品系种子繁殖区 31 32 第二节品种区域实验技术 品种的区域试验是鉴定作物新品种使用价值和适应区域范围的一种多点实验 它是由品种审定机构在省级或省级以上的范围内按不同生态区域统一布置的多点实验 其中包括多点的品种比较试验和生产试验 是品种选育和推广之间的必要程序 区域试验的主要内容是将各育种单位育成的新品种 用统一的对照品种通过在不同生态地区的种植试验 对新品种的产量性能 生育特性 抗性表现等进行评价 确定新品种的使用价值和适宜地区 34 一 区域试验的方法和程序 一 组织管理作物品种的区域实验办法由国家和省两级品种审定机构制定 由每一种作物的区域实验协作组织具体实施 试验的范围由各种作物的布局 生态区划以及品种的生态类型而定 二 设立试点通常根据作物分布的种植区划以及作物的种植面积 选择有代表性的科研单位或良种场为试验点 有条件的地区最好建设一批专门的试验站 试验点必须有代表性 而且分布合理 每一个品种的区域试验和生产试验在同一生态类型区均不少于5个试验点 一个试验点的生产试验种植面积不少于300 不大于3000 35 三 试验设计区域试验的设计 一般采用完全随机区组设计 重复不少于3次 参加品种一般在10 15个 最好不超过20个 一般只设一个统一对照 但也可增设一个当地主栽品种作为第二对照 有关资料的调查记载项目均应有统一的规定和标准 四 试验年限区域试验一般进行2 3年 对表现突出的品种可在参加第二年区试时 同时参加生产试验 每一个品种的生产试验时间为一个生产周期 对参加第一年区试 在各试点表现普遍较差的品种 可以提前停止试验 以便给其他等待参试的品种让出位置 36 三 试验设计区域试验的设计 一般采用完全随机区组设计 重复不少于3次 参加品种一般在10 15个 最好不超过20个 一般只设一个统一对照 但也可增设一个当地主栽品种作为第二对照 有关资料的调查记载项目均应有统一的规定和标准 四 试验年限区域试验一般进行2 3年 对表现突出的品种可在参加第二年区试时 同时参加生产试验 每一个品种的生产试验时间为一个生产周期 对参加第一年区试 在各试点表现普遍较差的品种 可以提前停止试验 以便给其他等待参试的品种让出位置 37 五 参试品种的条件申请参加区域试验的品种 必须有两年以上的育种单位的品系比较试验结果 以及自己设置的品系多点试验结果 一般要求比对照增产10 以上 或产量不低于对照 但具有其他突出的优良性状 六 总结评定每年试验结束后 试验各点要按规定及时将试验资料上报给主持单位 由主持单位对参试品种的丰产性 适应性 抗逆性和品质等农艺性状做出全面分析评价后 提出具体的处理意见和建议 报同级农作物品种审定委员会 作为品种审定的依据 38 二区域实验资料的统计分析 39 目录 一 一年多点实验结果的联合分析 二 一点多年实验结果的联合分析 40 一 一年多点实验的联合分析 一 思路 1 记录变异的因素及其数目的编码代号 2 列出区域实验单一试点品种和重复两向表 3 必要的数据的计算 4 单点实验结果的方差分析 以及分析后的汇总 5 方差分析 确认是否可以参加多点实验结果的联合分析 6 汇总各点方差分析有关数据汇总 7 实验结果的联合分析 8 品种平均数的多重比较 9 分析比较结果 得出多点实验的最终结果 41 二 记录及相关符号系统说明 为了便于理解与应用 更直观的了解变异的因素 首先应做到对变异因素 指实验中的变量 如实验年份 品种 重复等 及其数目 如重复的次数 参试品种数 处理梯度数等 的编码代号 以1981年江苏省中籼稻区域实验为例 参试品种m 10 其中南京11号为对照品种 采用3次重复 随机完全去组设计 即重复数r 3 11个点 即点数n 11 42 符号系统 以以上案例为例 实验变异因素记录完成后 就是单一试点品种和重复两项表的制作 其符号系统如图所示 表中 i为品种编码 i 1 2 m xi 为i个品种r次重复的小区产量之和 xik代表第i个品种在第k个重复的小区的产量 xi 则代表第i个品种各重复小区产量的总和 43 汇总的品种 十点两向表 如下图排列所示 这是一年多点联合实验结果汇总表 表中j是地点编码代号 j 1 2 3 n xi表示第i个品种的全部小区之和 x j 表示第j个地点所有品种所有重复全部小区产量之和 x 是全部小区产量的总和 即 44 45 汇总的品种表 续 46 三 单点实验结果的方差分析和有关数据汇总 1 矫正数C的计算 2 总平方和 总SS 3 处理间平方和1 品种SS 以铜山实验点试验结果为例 其方差分析的平方和分解和变异系数 CV 的计算结果如下 47 4 处理间平方和2 重复SS 5 处理内平方和 误差SS SSe 总SS 品种ss 重复SS SST SSt1 SSt2 6 898 6 自由度 DF 总自由度 总变异 处理间自由度 品种间 处理间自由度 重复间 处理内自由度 误差 48 7 处理均方 处理间均方 品种间 MSt1 重复间 MSt2 处理内均方 误差项均方 MSe 因为方差分析不涉及总均方 所以不必计算总均方 同时 表18 8中并未写出重复间的均方即MSt2 49 8 实验的相对误差 变异系数 的计算 9 F值的计算与分析 根据 查F表 一尾方差分析用 得 50 因为 即p 0 01 F值显著 于是在F值右 上方标记 同时表明该单点实验 10种不同品种间差异均达到显著水品 同时 由于变异系数较小 所以可参加多点实验的联合分析 51 3 试验结果的联合分析一年多点试验结果的联合分析 基本上和两因素随机区组设计的结果分析相似 仅重复项的自由度和平方和分解有所不同 1 自由度和平方和分解 总变异 自由度 mnr 1 10 11 3 1 329 地点间 自由度 n 1 10 地点内重复间 自由度 n r 1 11 2 22平方和 各试点所有重复之间平方和减去地点平方和 52 品种间 自由度 n 1 10 1 9 误差 自由度 n r 1 m 1 11 2 9 198平方和 各试点误差平方和之和 247 92 品种 地点 自由度 m 1 n 1 9 10 90 2 计算均方及F测验将上面计得的各项变异来源的自由度和平方和列成方差分析表 计算各项均方 并根据各项期望均方的内容进行F测验 见下表 53 以上F测验一般先作品种 地点项的测验 如果达到显著水平 再作 品种间 测验 应注意以 品种 地点 项的均方 MS4 为分母 本试验F测验结果 品种间差异极显著 需要对各品种平均数作多重比较 品种 地点 项也极显著 需要进行品种稳定性分析 3 品种平均数的多重比较 54 以自由度为90查SSR表 并计得P 2 3 10的LSR值 见下表1 各品种平均数间差异显著性见表2 多重性比较结果表明 表2 参试品种中比对照南京11号显著增产的有汕优2号和7601 增产幅度分别为11 12 和8 63 汕优2号比对照增产达极显著水平 比对照显著减产的是7317 在评定品种优劣时 除了首先根据产量差异的显著性以外 还须同时考虑增产幅度的大小 一般应在10 或15 表1LSR值计算表 55 表2各品种产量平均数的多重比较表 二 一点多年连续试验的联合分析同一年多点试验结果的联合分析完全一样 只需将联合分析表中的 地点 改为 年份 这里年份间的差异 并不仅仅是年份间气候条件的变化 也包含该地点各年份栽培管理水平 甚至试验地的改动 如果两年试验结果的联合方差分析 品种 年份 项显著 则应继续再作一年试验 56 第三节品种稳定性和适应性分析 品种的适应性是指作物品种对环境的适应范围和在一定范围内的适应程度 用一定数值表示某一品种对环境的适应程度 称为适应性参数 稳定性是指作物品种基因型能自行调节其表现型的状态以适应于变动的环境 使其生长发育和主要性状表现保持相对稳定的能力 用一定数值表示相对稳定的程度 称为稳定性参数 农业生产实践证明 如果一个品种的产量能力基本上适应于当前的生产水平 而其适应性和稳定性较好 这个品种推广的范围就广 在生产上利用的年限就可能长 所以在现行的品种区域试验中 试验结果联和分析时 除了考虑品种的产量能力及品种间的差异显著性外 还应当重视品种的适应性和稳定性的分析 58 一 品种和环境的交互作用 品种和环境的交互作用 是指各品种在不同的环境条件下产量高低的顺序发生变化 亦即不同品种对不同环境有不同的反应 如图18 3为品种和环境不存在交互作用 甲品种和乙品种的产量差距 并不随环境的变化而变化 图18 4的情况不同 甲品种和乙品种间的产量差异在环境1和环境2之下显然是不同的 存在较大的品种和环境间的差异 研究品种和环境的交互作用 成为合理评价品种的重要问题 59 60 二 品种适应性和产量稳定性的参数估计 品种适应性和稳定性参数的研究已有50多年的历史 但是 迄今为止 还没有找到一个很好的统计模型能把适应性参数和稳定性参数分解清楚 所以现在都混称为稳定性参数 有关研究者已提出了不下几十种的适应性和稳定性参数的统计方法 但是按照其比较变异程度的参照度不同 大体可以分为两大类 一类是以每个品种在所有环境下的平均值为参照数 另一类是以每个环境中全部参试品种的平均值为参照数 现举例说明如下 61 一 以品种平均数为参照数的稳定性参数估计法 按照Francis和Kanneberg 1978 以每个品种在环境的平均数为参照数的方法 先求出各品种的标准差 进而以变异系数作为稳定性参数 如仍以江苏省1981年中籼稻品种区域试验为例 将其产量和标准差以及变异系数的计算结果列于表18 13中 62 63 表中 xi 和 x j分别为品种和地点的平均数 Ij为环境指数离差 这个参数此处计算时不用 是为介绍Eberhart Russell方法二准备的 计算标准差Si的公式为Si CVi Ij x j x 64 以小区平均产量为纵坐标 变异系数为横坐标作图 以小区总平均产量和平均变异系数将坐标图划成4个象限 画出10个参试品种的散布点 如图 18 5 65 从图中求出回归线 即可看出平均产量和平均系数之间呈高度负相关 且回归线位于第II和第IV象限内 研究者认为 凡是变异系数小的品种是稳定的品种 如果兼具较高的平均产量 则为理想的稳定品种 所以认为 落在第 象限的品种是高产 不稳定的落在第 象限的品种是高产 稳定的落在第 象限的品种是低产 稳定的落在第 象限的品种是低产 不稳定的 66 俞世蓉等 1986 提出求标准差或变异系数的比数ai法 此法是以品种的标准差或变异系数与平均标准差或平均变异系数的比较 作为稳定性参数 即ai Si S或CVi CV 例如 南京农业大学小麦品种研究室1984 1988年在江苏淮南地区有7个代表性的试点 进行8个参试品种的多点3重复的随机区组实验 其产量和有关统计结果列于下表 18 14 67 68 采用这个参数 计算方便 反映效果与变异系数相似 而所得参数更为直观 ai 1则表示有平均的稳定性 一个优良品种其产量的ai值不宜太小 以ai 1较好 如果ai过小 虽然产量比较稳定 但生产潜力不会很大 ai1 而平均产量较高的品种 可以认为是高产而不稳定的品种 如果结合平均产量来看 扬麦四号可以归属于高产而稳定性较好的品种 而扬麦三号是低产而稳定的品种 以品种平均数为参照数的稳定性参数估计法 计算简便 比较直观 容易理解 但CV或ai的大小 除受品种和环境互作的影响外 又与各个环境生产水平的高低有密切关系 同时 这种变异中包括品种 环境 品种 环境的互作和试验误差等影响 所以并不能反映基因型的稳定性差异 而只是品种产量稳定性的差异 在区域范围较广与生态条件复杂的情况下 一般很少能统计出 平均产量较高而变异程度较小的品种 这是该法的缺点 69 二 以环境指数为参照的适应性参数估计法 Finley和Wilkinson 1963 提出分析大麦品种适应性的方法 以每一个试点一年中参试品种的平均产量作为反映环境因素的综合指标 以此称为环境系数 environmentindex 以某一品种在各个试点的产量为自变量 各个试点的环境指数为依变量 计算该品种的回归系数 以这一回归系数度量该品种对环境的适应性和稳定性 以下介绍有代表性的Eberhart和Russell 1966 的估计法 他们以各环境下的环境指数减去所有环境指数的平均值 得到环境指数的离差作为参照数 即Ij X j X 种环境指数的离差 常被称为环境指数 计算每一品种在各个试点的产量与相应试点的环境指数的回归系数 称为第一稳定性参数 把直线回归离差Sdi2也作为度量稳定性的参数 称为第二稳定性参数 理想的品种应该是平均产量较高 b接近于1 而Sdi2接近于0 就产量而言 一个品种Sdi2值小 说明该品种的产量是随环境的变化而变化的 对该品种在各个环境条件下产量变动情况可以进行较可靠的估测 反之 Sdi2值大 说明品种产量的变动不可能可靠地估测 品种产量的稳定性较差 70 稳定性参数的估计 现在已江苏省1981年中籼品种区域试验为例 表18 13 估测两个稳定性参数如下 以汕优2号为例 估测稳定性参数回归系数bi和回归离差S2di 1 求各品种对环境指数的直线回归系数bi b