西瓜種質(zhì)資源果實(shí)主要數(shù)量性狀的主成分分析

王志強(qiáng)，郭 松，劉聲鋒，郭守金，于 蓉，田 梅，董 瑞

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，銀川 750002）

西瓜種質(zhì)資源果實(shí)主要數(shù)量性狀的主成分分析

王志強(qiáng)，郭 松，劉聲鋒，郭守金，于 蓉，田 梅，董 瑞

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，銀川 750002）

以29份西瓜種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，采用主成分分析方法分析西瓜果實(shí)重量、果皮硬度、果實(shí)長(zhǎng)度、果實(shí)寬度、瓜內(nèi)種子數(shù)和中心糖含量6個(gè)主要數(shù)量性狀，并對(duì)參試西瓜材料數(shù)量性狀的品質(zhì)表現(xiàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。遺傳多樣性研究結(jié)果表明，29份材料的6個(gè)數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)介于1.81～2.07。相關(guān)性結(jié)果表明，果實(shí)重量與果皮硬度、果實(shí)長(zhǎng)度和果實(shí)寬度呈極顯著正相關(guān)，果實(shí)長(zhǎng)度與果實(shí)寬度呈極顯著正相關(guān)。主成分分析結(jié)果表明，6個(gè)數(shù)量性狀綜合成為3個(gè)主成分，且這3個(gè)主成分構(gòu)成的信息量可解釋總信息量的84.3053%。根據(jù)品種主成分綜合值的排序結(jié)果表明，29份參試西瓜材料按照順序排列，火洲、jubilee、sugarlee、美國(guó)父本、狄克西瓜、“54”、金麗、洛菲林、早花和鄭引15號(hào)等10個(gè)品種綜合表現(xiàn)優(yōu)良。

西瓜；種質(zhì)資源；果實(shí)；數(shù)量性狀；主成分分析

西瓜是一種世界性的園藝作物，栽培歷史悠久，分布地域廣泛。種質(zhì)資源是新品種選育、遺傳理論和生物技術(shù)研究以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。西瓜新優(yōu)品種的選育有賴于對(duì)種質(zhì)資源數(shù)量性狀的詳盡調(diào)查和利用。盡管目前多種分子標(biāo)記已應(yīng)用于西瓜種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究[1-3]，但形態(tài)學(xué)分析能夠?yàn)榉N質(zhì)資源的多樣性研究提供直觀的表型信息。

作物的多數(shù)經(jīng)濟(jì)性狀和品質(zhì)性狀是受微效多基因控制的數(shù)量性狀，由于基因的一因多效和連鎖關(guān)系，使性狀間關(guān)系復(fù)雜。主成分分析可把具有相互關(guān)聯(lián)性狀歸結(jié)為少數(shù)幾個(gè)相互獨(dú)立的綜合性狀，使研究問題簡(jiǎn)化，因此在作物多性狀關(guān)系分析、正確選配親本和提高后代選擇效果等方面具有指導(dǎo)作用。其應(yīng)用研究已在花生、核桃、蘋果、葡萄、茄子、辣椒、白菜、玉米和小麥等作物中報(bào)道。殷冬梅等利用DPS軟件對(duì)花生含油量、蛋白質(zhì)、油酸、亞油酸、油亞比等品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析[4]；楊俊霞等應(yīng)用主成分分析對(duì)晚熟核桃品系的8個(gè)主要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行分析[5]；王沛等采用主成分分析方法對(duì)15個(gè)早中熟蘋果的16項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)[6]；尹章文等采用主成分分析方法對(duì)影響葡萄抽條的多個(gè)因素進(jìn)行分析[7]；趙德新等對(duì)55個(gè)茄子種質(zhì)資源的18個(gè)形態(tài)學(xué)性狀進(jìn)行主成分分析和聚類分析[8]；鄒學(xué)校等對(duì)36個(gè)辣椒地方品種的15個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析[9]；崔秀敏等對(duì)34個(gè)白菜品種的生物學(xué)性狀進(jìn)行主成分分析[10]；曾潔等對(duì)遼寧地區(qū)的26個(gè)主栽品種的玉米15項(xiàng)理化性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析[11]；莊萍萍等對(duì)來(lái)自15個(gè)國(guó)家和地區(qū)的81份波斯小麥的8個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析[12]。但主成分分析在西瓜中的研究尚不多見。

本研究以29份西瓜種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，對(duì)西瓜果實(shí)主要數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，旨在為西瓜育種中親本的選配、分類及種質(zhì)資源的利用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)地設(shè)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地園林場(chǎng)，采用深溝寬壟的栽培模式，株行距0.4 m× 3 m，每株留1個(gè)果實(shí)，每個(gè)品種播種10株，3次重復(fù)，各個(gè)品種隨機(jī)排列。試驗(yàn)材料共29份（見表1），均為普通西瓜，編號(hào)1～23是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹所國(guó)家西瓜甜瓜種質(zhì)資源中期庫(kù)引進(jìn)資源，為固定品種。編號(hào)24～29為課題組保存西瓜材料，為高代自交系，遺傳表現(xiàn)穩(wěn)定。主要調(diào)查記載果實(shí)重量、果皮硬度、果實(shí)長(zhǎng)度、果實(shí)寬度、瓜內(nèi)種子數(shù)、中心糖含量共6個(gè)數(shù)量性狀，6個(gè)數(shù)量性狀的數(shù)據(jù)為30株植株性狀調(diào)查的平均值，性狀調(diào)查和數(shù)據(jù)采集參照馬雙武等[13]規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 方法

果實(shí)中心糖的測(cè)定采用便攜式折光糖儀進(jìn)行測(cè)定，果實(shí)重量測(cè)量使用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的盤秤進(jìn)行稱量，果實(shí)長(zhǎng)度和果實(shí)寬度使用直尺測(cè)量，精確到0.1 cm，瓜內(nèi)種子數(shù)為剖開果實(shí)后逐一統(tǒng)計(jì)后獲得，果皮硬度使用專業(yè)定制的果皮硬度計(jì)測(cè)定。為保證數(shù)據(jù)稱量和評(píng)價(jià)的一致性，所有操作由同一人完成，6個(gè)數(shù)量性狀數(shù)據(jù)采集的為同一個(gè)樣品。

29個(gè)品種的6個(gè)數(shù)量性狀分別統(tǒng)計(jì)最大值、最小值、平均值、變異幅度、變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，遺傳多樣性指數(shù)H'的計(jì)算參照趙香娜等方法[14]，根據(jù)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，將數(shù)據(jù)分成10級(jí)，從第一級(jí)Xi＜（χ-2s）到第十級(jí)Xi≥（χ+2s），χ為平均值，s為標(biāo)準(zhǔn)差，每0.5s為1級(jí)，每一組的分布頻率用于計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)。遺傳多樣性指數(shù)H'的計(jì)算公式為：其中pi為某一性狀第i級(jí)內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對(duì)數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

各統(tǒng)計(jì)數(shù)值、遺傳多樣性指數(shù)和相關(guān)性分析使用Excel 2003軟件計(jì)算和處理，主成分分析采用DPS7.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遺傳多樣性分析

西瓜果實(shí)數(shù)量性狀的遺傳多樣性詳見表2。

表1 試驗(yàn)材料名稱和來(lái)源Table 1 Name and origin of tested materials

表2 西瓜果實(shí)主要數(shù)量性狀的遺傳多樣性Table 2 Diversity index on quantitative characters of fruit

由表2可知，6個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)均達(dá)到1.8以上。果實(shí)重量的最小值為1.59 kg，最大值為8.10 kg，平均值為4.54，變異幅度達(dá)到6.51，遺傳多樣性指數(shù)達(dá)到2.02。瓜內(nèi)種子數(shù)的變異幅度最大達(dá)到600，其遺傳多樣性指數(shù)也達(dá)到6個(gè)數(shù)量性狀的最大值為2.07；果實(shí)長(zhǎng)度變異幅度為18，遺傳多樣性指數(shù)最小為1.81。

2.2 相關(guān)性分析

表3中分析結(jié)果可知，果實(shí)重量與果皮硬度、果實(shí)長(zhǎng)度和果實(shí)寬度呈極顯著正相關(guān)。西瓜果實(shí)在生長(zhǎng)發(fā)育過程中，為克服自身重力，必然在果皮厚度和硬度上達(dá)到與體積和重量相適應(yīng)的比例，參試品種中，有12個(gè)品種來(lái)源于美國(guó)，5個(gè)品種是中國(guó)地方品種，這些品種主要表現(xiàn)為果實(shí)大、果皮硬且耐貯運(yùn)。果實(shí)重量主要由果實(shí)體積和果實(shí)密度決定，同等體積大小的情況下，果實(shí)果皮和果肉密度越大，則果實(shí)重量越大；同等密度情況下，果實(shí)體積越大，果實(shí)重量則越大。果實(shí)長(zhǎng)度和寬度是果實(shí)體積大小的兩個(gè)決定性因素。果實(shí)長(zhǎng)度與果實(shí)寬度呈極顯著正相關(guān)，參試品種主要為圓形、橢圓形和長(zhǎng)橢圓形三種果形，果形指數(shù)在0.9～1.2的為圓形果，果形指數(shù)在1.2～1.5的為橢圓形果，超過1.5的為長(zhǎng)橢圓形果。

表3 果實(shí)數(shù)量性狀的相關(guān)性分析Table 3 Correlations analysis on quantitative characters of fruit

2.3 主成分分析

西瓜果實(shí)數(shù)量性狀的遺傳多樣性是西瓜果實(shí)眾多性狀的綜合體現(xiàn)，由于各個(gè)數(shù)量性狀之間存在極顯著的相關(guān)性，因此可用主成分分析的方法確定各個(gè)性狀指標(biāo)對(duì)于果實(shí)綜合性狀的影響。主成分分析是一種可將相關(guān)的多個(gè)指標(biāo)，通過降維的方法，在不損失原有數(shù)據(jù)信息的前提下，綜合成數(shù)量較少且互相獨(dú)立的幾個(gè)因子代表原有眾多變量，以簡(jiǎn)化研究的一種方法[15]。

通過對(duì)西瓜果實(shí)6個(gè)主要數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，并以特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上時(shí)的主成分個(gè)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分。由表4可知，第一主成分的貢獻(xiàn)率為46.7537%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為19.7321%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為17.8195%，前3個(gè)主成分特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.3053%。因此可用前3個(gè)主成分代替原來(lái)6個(gè)指標(biāo)對(duì)西瓜果實(shí)數(shù)量性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)主成分載荷矩陣可以看出，第一主成分以果實(shí)重量為主，以果實(shí)長(zhǎng)度和果實(shí)寬度為輔，主要體現(xiàn)品種的產(chǎn)量因子，其次體現(xiàn)西瓜果實(shí)的形狀因子；第二主成分以中心糖含量為主，體現(xiàn)果實(shí)的品質(zhì)因子，此時(shí)瓜內(nèi)種子數(shù)有最大負(fù)向系數(shù)，表示參試材料中存在種子數(shù)少而中心糖含量高的品種；第三主成分以果皮硬度為主，體現(xiàn)果實(shí)的致密性和耐貯運(yùn)性。依據(jù)各主成分的貢獻(xiàn)率，說(shuō)明對(duì)果實(shí)的6個(gè)數(shù)量性狀影響最大的是果實(shí)重量、中心糖含量和果皮硬度3個(gè)性狀指標(biāo)。

表4 主成分特征值及貢獻(xiàn)率Table 4 Eigenvalues of principal components and their contribution

2.4 種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)

利用入選的特征值和特征向量計(jì)算供試品種的主成分值并進(jìn)行排序和優(yōu)劣評(píng)價(jià)。通過表5的主成分得分矩陣可得如下方程式：

表5 標(biāo)準(zhǔn)化后主成分得分Table 5 Principal component scores after standardization

利用公式y(tǒng)=0.467537y1+0.197321y2+0.178195y3可計(jì)算出29個(gè)西瓜品種數(shù)量性狀的主成分得分，即為各個(gè)品種數(shù)量性狀的綜合得分，并按照分值進(jìn)行排序（見表6）。

表6 各品種數(shù)量性狀的主成分得分Table 6 Principle component scores for quantitative characters of cultivars

根據(jù)綜合得分的排序可得出各個(gè)西瓜品種果實(shí)數(shù)量性狀品質(zhì)的優(yōu)劣。由表6可知，綜合得分前10位的排序結(jié)果依次為火洲>jubilee>sugarlee>美國(guó)父本>狄克西瓜>“54”>金麗>洛菲林>早花>鄭引15號(hào)。

3 討論與結(jié)論

文章對(duì)29份西瓜種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性和主成分分析，結(jié)果表明在果實(shí)的6個(gè)主要數(shù)量性狀中，變異系數(shù)很大，遺傳多樣性指數(shù)介于1.81～2.07，通過主成分分析將反映果實(shí)品質(zhì)和貯運(yùn)性的6個(gè)主要數(shù)量性狀綜合為3個(gè)主成分，其所構(gòu)成的信息量可解釋總信息量84.3053%。通過各個(gè)品種的綜合得分得到10份表現(xiàn)優(yōu)良育種材料并對(duì)其進(jìn)行綜合性排序。

西瓜產(chǎn)量主要由單個(gè)果實(shí)重量和單株結(jié)果數(shù)量決定，同時(shí)也與栽培條件有關(guān)。29份種質(zhì)資源中，果實(shí)重量的變異系數(shù)達(dá)到34.14%，表明在育種過程中，可通過選擇的方式得到果實(shí)重量更大的品種或品系，也可以在西瓜生產(chǎn)過程中通過提高水肥管理?xiàng)l件等增加果實(shí)重量，達(dá)到高產(chǎn)目的。果實(shí)內(nèi)種子數(shù)量的多少是種子植物繁育能力大小的標(biāo)志，瓜內(nèi)種子數(shù)越多則越有利于制種過程中產(chǎn)量形成，29份種質(zhì)資源中，瓜內(nèi)種子數(shù)變異系數(shù)達(dá)到35.79%，說(shuō)明在育種中可從群體中選擇種子數(shù)量多的自交系作為制種的親本，通過加強(qiáng)肥水等管理措施才能在制種生產(chǎn)中獲得較高的種子產(chǎn)量。

種質(zhì)資源的篩選，由于參評(píng)性狀多且群體大，各性狀間存在相關(guān)性，通過主成分分析，將西瓜多個(gè)主要的篩選性狀綜合為較少的幾個(gè)主成分，而這幾個(gè)主成分又提供參試材料80%以上的信息量，是綜合而又相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可簡(jiǎn)化篩選研究的過程。

根據(jù)主成分特征值和特征向量進(jìn)行評(píng)分，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)選出10個(gè)優(yōu)良種質(zhì)資源，多數(shù)已成為我國(guó)西瓜育種的基礎(chǔ)材料，有的品種作為自交系配制的雜一代應(yīng)用于生產(chǎn)，成為適應(yīng)性廣、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且抗病性強(qiáng)的品種。如排序第一的火洲，是一個(gè)多親本復(fù)合雜交材料，其育成既有中國(guó)當(dāng)?shù)剞r(nóng)家品種的參與，又有國(guó)外材料的參與。排名第二的jubilee作為父本已選育出適合西北地區(qū)種植的紅優(yōu)2號(hào)、新優(yōu)2號(hào)和金花寶等多個(gè)名優(yōu)新品種[16]。

[1]Zhang X P,Rhodes B B.RAPD molecular marker in watermelon [J].Hortscience,1993,28(5):223.

[2]郭軍,許勇,壽森嚴(yán),等.西瓜種質(zhì)資源遺傳親緣關(guān)系的RAPD分析[J].植物遺傳資源科學(xué),2002,3(1):7-13.

[3]李艷梅,段會(huì)軍,馬峙英.西瓜種質(zhì)資源的遺傳多樣性及親緣關(guān)系的AFLP分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2007,22(增):177-180.

[4]殷冬梅,張幸果,王允,等.花生主要品質(zhì)性狀的主成分分析與綜合評(píng)價(jià)[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2011,12(4):507-512,518.

[5]楊俊霞,郭寶林,張衛(wèi)紅,等.核桃主要經(jīng)濟(jì)性狀的主成分分析及優(yōu)良品種選擇的研究[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,24(4):39-42.

[6]王沛,劉璇,畢金峰,等.基于主成分分析的中早熟蘋果脆片品質(zhì)評(píng)價(jià)[J].中國(guó)食品學(xué)報(bào),2012,12(6):204-211.

[7]尹章文,宋建偉.葡萄“克倫生”品種抽條原因的主成分分析[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,36(2):37-38,79.

[8]趙德新,孫治強(qiáng),任子君,等.茄子形態(tài)學(xué)性狀主成分分析及聚類分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,43(4):393-397.

[9] 鄒學(xué)校,侯喜林,戴雄澤,等.辣椒地方品種的主成分分析及數(shù)量分類[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,30(3):243-246.

[10] 崔秀敏,侯喜林,孫菲菲,等.不結(jié)球白菜農(nóng)藝性狀的主成分分析及與黑斑病的通經(jīng)分析[J].浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2006,18(2):99-102.

[11]曾潔,孫俊良,李光磊,等.基于主成分分析和Q型聚類分析的玉米品種特性研究[J].沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,40(1):53-57.

[12] 莊萍萍,李偉,魏玉明,等.波斯小麥農(nóng)藝性狀相關(guān)性及主成分分析[J].麥類作物學(xué)報(bào),2006,26(4):11-14.

[13] 馬雙武,劉君璞.西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2005:27-30.

[14]趙香娜,李桂英,劉洋,等.國(guó)內(nèi)外甜高粱種質(zhì)資源主要性狀遺傳多樣性及相關(guān)性分析[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2008,9(3):302-307.

[15]唐啟義.DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng):實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)挖掘[M].北京:科學(xué)出版社,2010:761-771.

[16]中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹所等主編.中國(guó)西瓜甜瓜[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2002:193-303.

Principal component analysis for main quantitative characters on fruit of watermelon germplasm

WANG Zhiqiang,GUO Song,LIU Shengfeng,GUO Shoujin,
YU Rong,TIAN Mei,DONG Rui(Genetic Germplasm Institute,Ningxia Academy of Agriculture and Forestry,Yinchuan 750002,China)

Principal component analysis on six quantitative characters(including fruit weight,fruit rind hardness,fruit length,fruit width,seeds per fruit and soluble solid content at center flesh)of fruit in 29 watermelon germplasm were analyzed.The integrated assessment was performed on six major quantitative characters.The results of genetic diversity showed that the high genetic diversity were detected on six quantitative and diversity indices ranged from 1.81 to 2.07.The result of correlation showed that fruit weight was significantly and positively correlated with fruit rind hardness,fruit length and fruit width(α<0.01),fruit length was significantly and negatively correlated with fruit width(α<0.01). The results of principal component analysis showed that six quantitative characters were consolidated into three principal components which accounted for 84.3053%of total variation.Based on the principal component values obtained,the integrated assessment showed that Huozhou,jubilee,sugarlee,Meiguofuben,Dikexigua,“54“,Jinli,Luofeilin,Zaohua and Zhengyin15 were excellent in comprehensiveperformance.

watermelon;germplasm;fruit;quantitative characters;principal component analysis

S651

A

1005-9369（2014）03-0059-06

時(shí)間2014-3-24 15:43:34 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140324.1543.001.html

王志強(qiáng),郭松,劉聲鋒,等.西瓜種質(zhì)資源果實(shí)主要數(shù)量性狀的主成分分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(3):59-64.

Wang Zhiqiang,Guo Song,Liu Shengfeng,et al.Principal component analysis for main quantitative characters on fruit of watermelon germplasm[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(3):59-64.(in Chinese with English abstract)

2013-11-19

寧夏自然科學(xué)基金（NZ12242）；寧夏農(nóng)林科學(xué)院自主研發(fā)項(xiàng)目（NKYJ-13-22）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-26-41）

王志強(qiáng)（1979-），男，助理研究員，碩士，研究方向?yàn)槲鞴显耘嗪陀N。E-mail:wzq2003135@163.com