陳敏康,李金玲
(1.貴州農(nóng)業(yè)職業(yè)學院,貴陽 551400;2.貴州大學,貴陽 550025)
農(nóng)作物種子是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的起點,種子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是科技水平的綜合體現(xiàn),習近平總書記今年在海南考察時再次強調(diào)“種子是我國糧食安全的關(guān)鍵”,為鞏固糧食安全體系,需要通過改良品種來提高產(chǎn)量。作物育種是研究選育與繁育作物優(yōu)良品種的理論與方法的一門科學,促進作物高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展[1]。
田間試驗與統(tǒng)計分析起源于遺傳育種,也是作物育種研究的工具,提供作物育種的方法,在作物育種的資源鑒定評價、育種方法選擇、區(qū)域試驗、新品種配套種植技術(shù)以及種子生產(chǎn)各環(huán)節(jié)應(yīng)用。但是田間試驗方法較多,各方法在作物育種中的應(yīng)用報道較少,僅見于格子設(shè)計在育種中的應(yīng)用[2],植物育種程序中早期鑒定篩選的田間試驗[3],未見田間試驗設(shè)計各方法在作物育種中應(yīng)用的系統(tǒng)報道,為此本研究對田間試驗設(shè)計的順序排列和隨機排列各方法在作物育種中的應(yīng)用進行系統(tǒng)歸納,并將各方法的適用范圍、優(yōu)點、弊端等進行詳細闡述,為作物育種工作者品種選育各環(huán)節(jié)提供參考,也為我國糧食高質(zhì)量發(fā)展和糧食安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障。
田間試驗設(shè)計包括順序排列和隨機排列,順序排列有對比設(shè)計和間比設(shè)計,隨機排列有完全隨機試驗設(shè)計、隨機區(qū)組試驗設(shè)計、拉丁方試驗設(shè)計、裂區(qū)試驗設(shè)計等[4-6],本研究將對上述試驗設(shè)計方法進行詳細闡述。
順序排列設(shè)計在育種試驗前期階段運用較多,該設(shè)計是在重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照其成熟期早晚、植株的高矮、抗性的強弱等一定的順序排列試驗小區(qū),對于育種工作者而言設(shè)計簡單,操作方便,還能夠減少試驗小區(qū)間的邊際效應(yīng)和生長競爭,但是由于重復(fù)區(qū)內(nèi)各處理沒有隨機排列,品比試驗時易在品種間產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,所以在估計試驗誤差時有偏差,導(dǎo)致不能無偏估計試驗誤差,尤其是當土壤肥力存在明顯差異時,理論上不能應(yīng)用統(tǒng)計的顯著性檢驗進行分析。一般在試驗實施比較方便,品種多,試驗精確度要求不高,在不做統(tǒng)計推斷的早期試驗或者預(yù)備試驗時采用此方法。順序排列包括對比設(shè)計和間比設(shè)計兩種,分別介紹兩種試驗設(shè)計在作物育種中的應(yīng)用。對比設(shè)計是重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照一定順序排列,每個供試品種均排列在對照區(qū)旁,即每隔兩個品種設(shè)置一個對照,方便各品種與對照直接比較,對于狹長形小區(qū),土壤肥力相似,可獲得較精確的試驗結(jié)果,而且有利于試驗的實施與觀察。不同重復(fù)區(qū)內(nèi)品種可排列成逆向式或階梯式,逆向式便于田間觀察和記錄,階梯式避免同一品種的小區(qū)排列在一條直線上。對比設(shè)計的對照區(qū)多,占了試驗地的三分之一,品種比較不宜過多,一般10個品種以內(nèi)。對比設(shè)計主要運用相鄰小區(qū)土壤肥力差異小來減少試驗的誤差。
間比設(shè)計是重復(fù)區(qū)內(nèi)各品種按照一定順序排列,第一個小區(qū)和最后一個小區(qū)一定是對照區(qū),每兩個對照間排列相同數(shù)目的品種,通常為4個或9個。各重復(fù)區(qū)可排列成一排,也可排列成多排。排列多排時,不同重復(fù)區(qū)內(nèi)品種的排列可采用逆向式或階梯式。如一塊土地上不能安排整個重復(fù)小區(qū),則可在另一塊土地上接著安排,但開始一定要設(shè)置對照小區(qū),成為額外對照。對照占的試驗地較對比設(shè)計少,適宜大量的品種比較,如玉米育種初篩[7],一般在新品種選育中原始材料觀察、早期的品系選擇、鑒定圃多株系鑒定中使用。
隨機排列試驗是各品種隨機排列在重復(fù)區(qū)內(nèi)的各小區(qū)上,可合理估計試驗誤差,能夠?qū)υ囼灲Y(jié)果進行精確的統(tǒng)計分析并推斷,試驗結(jié)果的可靠性高,因此,一般適用于精確度要求較高的育種試驗,如雜交育種[7-10]、自交試驗[11-12]等。隨機排列設(shè)計方法較多,包括完全隨機試驗設(shè)計、隨機區(qū)組試驗設(shè)計、拉丁方試驗設(shè)計和裂區(qū)試驗設(shè)計等。
完全隨機試驗設(shè)計將各品種完全隨機安排在各試驗小區(qū),品種和重復(fù)數(shù)量不受限制,各品種的重復(fù)數(shù)可相等也可不相等,這種設(shè)計的小區(qū)安排靈活,每個品種有同等機會安排在任何小區(qū)上,單因素試驗或多因素試驗均可,統(tǒng)計分析相對簡單,在玉米[13]、水稻[14]育種上廣泛運用。隨機的方法可采用計算機隨機或抽簽法。但完全隨機試驗設(shè)計缺少局部控制的原則,要求試驗環(huán)境因素差異小,否則試驗精確度較低,因此一般應(yīng)用在品種的小環(huán)境田間試驗、盆栽試驗[15-17]、溫室盆缽試驗、組培實驗[18]等。
隨機區(qū)組試驗設(shè)計利用了田間試驗設(shè)計的隨機、重復(fù)和局部控制三個原則,既可控制試驗誤差,也可降低試驗誤差,獲得了試驗誤差的無偏估計值,因此該方法是最常用、最基本的試驗設(shè)計。隨機區(qū)組試驗設(shè)計適用范圍廣,單因素、多因素、綜合性品比試驗均可;同時該方法對試驗地形條件要求不嚴,必要時不同區(qū)組可安排在不同地段上;另外統(tǒng)計分析方便,如果因不可控制因素導(dǎo)致某一個品種或者區(qū)組數(shù)據(jù)缺失,可去掉該品種或區(qū)組繼續(xù)進行統(tǒng)計分析,在木本植物[19-20]、禾本科[21-24]以及蔬菜類[25-27]育種中廣泛應(yīng)用。但隨機區(qū)組試驗設(shè)計也存在不足,品種試驗一般不超過20個,10個左右合適;同時,該試驗局部控制只能控制一個方向的土壤差異。
拉丁方試驗設(shè)計是將品種從縱橫兩個方向進行局部控制,每個品種在每一行和每一列上出現(xiàn)相同的次數(shù),即有多少品種就有多少重復(fù)。由于該設(shè)計從兩個方向進行環(huán)境條件的局部控制,雙向消除環(huán)境條件差異,試驗的精確度高。但是,品種數(shù)等于重復(fù)數(shù),因此品種不能太多,否則試驗地面積過大,試驗誤差增加,試驗的精確度和品種間差異的靈敏度降低,一般常用5~8個品種試驗,當然,也可采用更復(fù)雜的復(fù)拉丁方設(shè)計,根據(jù)所研究的品種試驗而定。
裂區(qū)試驗設(shè)計是多因素試驗設(shè)計方法,一般運用在品種與栽培措施組合的試驗中,并且因素有主次之分,希望對主要因素有較高的精確度。例如,品種與播期二因素試驗,品種是主要因素,要求精確度高,而播期是次要因素,精確度要求較低。裂區(qū)設(shè)計的主區(qū)常按隨機區(qū)組排列方法,也可按完全隨機或拉丁方排列。裂區(qū)試驗設(shè)計在作物育種上應(yīng)用,品種的主效比栽培措施的主效更重要,對品種主效要求的精確度高,或者品種對面積的需要較栽培措施的更大,或者品比試驗方案臨時變更,如品比試驗開展后,再加栽培措施試驗。如在裂區(qū)試驗設(shè)計基礎(chǔ)上,再引入一試驗因素,則可用更復(fù)雜的再裂區(qū)設(shè)計,根據(jù)育種者研究需要安排。
對比設(shè)計和間比設(shè)計主要在作物育種試驗前期階段運用較多,如資源鑒定、大量品種初篩、品種預(yù)試驗等。完全隨機試驗設(shè)計應(yīng)用在品種比較的小環(huán)境田間試驗、盆栽試驗、溫室盆缽試驗、分子育種的組培試驗等;隨機區(qū)組試驗設(shè)計應(yīng)用在育種的單因素試驗、多因素試驗、綜合性品比試驗等;拉丁方試驗設(shè)計適用于較少品種的比較,但對精確度要求較高的試驗;裂區(qū)試驗設(shè)計適用于已選育的品種的配套栽培措施相關(guān)試驗,品種一般為主因素,栽培措施為副因素。
作物育種首先要設(shè)置作物育種目標,在一定的自然、栽培和經(jīng)濟條件下,計劃選育的新品種應(yīng)具備的優(yōu)良特征特性,是對育成新品種在生物學和經(jīng)濟學性狀上的具體要求[1]。明確育種目標是育種成敗的關(guān)鍵,如高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗蟲、抗病、適宜機械化等育種目標,從原始材料、育種方法、適宜區(qū)域等開展田間試驗,每個育種環(huán)節(jié)都依靠田間試驗支撐,用科學試驗設(shè)計方法,才能選育出達到育種目標的新品種。
田間試驗設(shè)計貫穿作物育種各環(huán)節(jié),但是不同的作物育種差異大,尤其是隨著經(jīng)濟作物種植的種類增多、面積的擴大,如中藥材,有根莖類、全草類、樹皮類、一年生或多年生藥材等;多年生的果樹、油茶、木本植物;葉類、根莖類、瓜果類等蔬菜,在育種中會遇到各種問題,問題的解決靠一線科研工作者的經(jīng)驗與探索,在作物育種中需要科研工作者不斷探討與研究,分享更好的應(yīng)用方法,推動作物育種產(chǎn)業(yè)發(fā)展,保證我國高質(zhì)量農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。