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    基于因子分析和聚類分析的甘蔗品種抗螟性評價

    2015-05-30 05:30:05林兆里許莉萍高三基徐金漢
    熱帶作物學報 2015年7期
    關鍵詞:聚類分析因子分析甘蔗

    林兆里 許莉萍 高三基 徐金漢

    摘 要 為明確甘蔗品種(系)抗螟性評價指標,建立甘蔗品種(系)抗螟性綜合評價體系。在田間自然蟲源條件下,以螟害株率、螟害節(jié)率、螟害指數(shù)、枯梢率、蛀道數(shù)、蛀道長度和羽化率為甘蔗生長中后期抗螟性評價候選指標,對19個甘蔗新品種(系)的抗螟性進行因子分析和聚類分析。結果表明:除螟害株率外,其余6個候選指標均有望作為抗螟性評價指標,其中螟害指數(shù)與單莖重損失量、蔗糖分損失量間同時具有顯著正相關,是評價甘蔗受害程度的最佳指標。因子分析結果表明,6個抗性相關指標可簡化為3個公因子,即植株受害因子、蛀道解剖因子和螟蟲生長發(fā)育因子。根據(jù)品種因子得分,對19個甘蔗新品種(系)抗螟性進行系統(tǒng)聚類分析,結果顯示,粵甘42號對螟蟲抗性最高,福農38號、桂糖29號、柳城03-1137和桂糖31號對螟蟲抗性最低。本研究結果不僅提供了甘蔗抗螟性評價指標與綜合抗性評價方法,還明確了19個甘蔗新品種(系)對甘蔗螟蟲的抗性。

    關鍵詞 甘蔗;抗螟性;因子分析;聚類分析

    中圖分類號 S433.1 文獻標識碼 A

    Abstract In order to determine the evaluation indices of sugarcane varieties resistance to sugarcane borer, a comprehensive evaluation system for the sugarcane borer resistance was established. According to seven candidate parameters of the percentage of bored stalks, the percentage of bored internodes, the borer damage index, the percentage of bored tips, the number of tunnels per stalk, the tunnels length per individual stalk and the adult emergence rate collected in the middle and late sugarcane growth periods, the factor and cluster analysis on resistance of nineteen new sugarcane varieties under the natural population of the target pest were studied. The results showed that except the percentage of bored stalks, the values of all the six candidate parameters had potential to be used to evaluate the borer resistance. A correlation was investigated between each of the six parameters to the loss of sugarcane stalk weight and the loss of sucrose content, but only the borer damage index was found to be a significant positive correlation with both of the loss, suggesting that the parameter of the borer damage index was the best one for the evaluation of sugarcane damage. In terms of the results of factor analysis, the six parameters could be simplified to three main factors including damage factors of plant, anatomy factors of borer tunnels, growth and development factors of borer. The nineteen new sugarcane varieties were clustering analysis according to the scores of factors, in which YT42 showed to be the highest borer resistance and FN38, YG29, LC03-1137 and YG31, were the opposite. The results of this study not only provided the parameters and the method for the evaluation of sugarcane borer resistance, but also made clear the borer resistance of these nineteen new sugarcane varieties.

    Key words Sugarcane;Borer resistance;Factor analysis;Cluster analysis

    doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.07.021

    甘蔗螟蟲是甘蔗生產上最重要的害蟲,其中以黃螟Argyroploce schistaceana(Snellen)、二點螟Chilo infuscatellus Snellen和條螟Proceras venosatus(Walker)在全國蔗區(qū)分布最廣泛,危害最嚴重[1-3],具有全生長季為害的特點。在甘蔗苗期,甘蔗螟蟲侵入生長點造成枯心,影響甘蔗最初群體的建成,導致有效莖減少,但通過合理用藥基本可得到有效防控。在甘蔗生長中后期,螟蟲侵入蔗莖形成螟蛀節(jié),輕則導致蔗莖機械損傷,重則造成蔗莖側芽萌發(fā),甚至蔗梢枯死,導致甘蔗產量和蔗糖分下降[2,4-5],因危害程度不同,減產幅度存在明顯差異,嚴重的可減產25%以上[6]。在甘蔗整個生長季中,屬于生長中后期的時間長達6~10個月,該階段的螟蟲防控直接影響最終的產量和蔗糖分[4, 7-8]。但甘蔗生長中后期甘蔗植株高大,螟蟲為害也更隱蔽,常規(guī)化學防治方法難以發(fā)揮高效作用,因此,甘蔗生長中后期的螟蟲防治是目前甘蔗生產面臨的一大難題。

    現(xiàn)階段,使用化學殺蟲劑結合栽培管理仍是中國甘蔗生產中后期甘蔗螟蟲綜合防控最主要的措施,但隨著殺蟲劑的大量不合理使用,害蟲抗藥性、生態(tài)環(huán)境惡化等不良影響日益突顯[9]。生物防治和品種抗性利用等措施也日漸為人們所重視,其中品種抗性是目前公認最經濟、有效的防治途徑之一[10]??剐云贩N的利用不僅方便同其他防治措施相結合,還不需要額外的投入[11],且規(guī)?;N植抗性品種還能夠有效地壓低區(qū)域內害蟲種群數(shù)量[12]??姑澡b定是甘蔗抗螟性研究和利用的基礎,國內外多采用單一抗性指標進行抗性鑒定,而采用多重抗性指標對甘蔗品種(系)進行抗螟性綜合評價的研究鮮有報道。本研究對甘蔗品種的抗螟性鑒定方法進行了研究,并對19份甘蔗新品種(系)的抗螟性進行了評價,為抗螟性甘蔗種質的篩選提供理論依據(jù)。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    供試甘蔗品種(系):國家甘蔗體系第3、4輪集成示范,柳城03-1137(LC03-1137)、柳城05-136(LC05-136)、云蔗99-596(YZ99-596)、云蔗01-1413(YZ01-1413)、云蔗03-258(YZ03-258)、云蔗05-49(YZ05-49)、福農07-0335(FN07-0335)、福農07-1110(FN07-1110)、福農38號(FN38)、 福農40號(FN40)、 粵甘24號(YG24)、 粵甘39號(YG39)、粵甘42號(YG42)、粵糖60號(YT60)、 桂糖29號(GT29)、 桂糖30號(GT30)、 桂糖31號(GT31)、 桂糖32號(GT32)共18個甘蔗新品種(系)和生產對照種新臺糖22號(ROC22)。

    1.2 方法

    1.2.1 試驗地概況 試驗地位于廣東省湛江市遂溪縣北坡鎮(zhèn),地處中國甘蔗主產蔗區(qū)之一的粵西蔗區(qū),土壤類型為砂壤土,屬亞熱帶氣候。該地區(qū)甘蔗螟蟲周年發(fā)生,黃螟、條螟和二點螟混合發(fā)生為害,在甘蔗生長中后期以黃螟為優(yōu)勢種,其次為條螟和二點螟。

    1.2.2 試驗設計 材料種植分設處理A和處理B兩部分。處理A:19個供試品種(系),每品種1個小區(qū),重復3次,隨機區(qū)組排列;處理B:19個供試品種(系),每品種1個小區(qū),重復1次,隨機區(qū)組排列。每小區(qū)3行,行長10 m,行距1.3 m,面積39 m2,邊緣設保護行。2013年2月28日下種,2013年4月25日小培土,2013年5月25日大培土。在下種和小培土時,處理A及處理B均施用3.6%加強型殺蟲雙顆粒劑5 kg/667 m2(福建泰禾農大生化有限公司生產)防治甘蔗螟蟲;甘蔗大培土時,處理A不施用農藥,處理B施用3.6%加強型殺蟲雙顆粒劑7.5 kg/667 m2,其他農事操作按當?shù)爻R?guī)栽培進行。

    1.2.3 抗螟性評價候選指標調查 在田間螟蟲自然蟲源侵害條件下,于2013年12月甘蔗收獲前,對處理A的抗螟性評價候選指標進行調查。每小區(qū)隨機選擇1個點,沿畦長連續(xù)調查15株甘蔗。結合蔗莖縱剖統(tǒng)計枯梢數(shù)和每株的總節(jié)數(shù)、螟害節(jié)數(shù)、羽化孔數(shù)、蛀道數(shù)和蛀道長度,并計算各供試品種(系)的枯梢率、螟害株率、螟害節(jié)率和羽化率,計算公式如下:

    螟害株率/%=螟害株數(shù)/總株數(shù)×100

    枯梢率/%=枯梢株數(shù)/總株數(shù)×100

    螟害節(jié)率/%=螟害節(jié)數(shù)/總節(jié)數(shù)×100

    羽化率/%=羽化孔/蛀道數(shù)×100

    1.2.4 螟害指數(shù) 參考White等[13]關于小蔗螟螟害等級評價系統(tǒng),根據(jù)試驗地甘蔗螟蟲為害狀,用蔗莖節(jié)間為害狀替代小蔗螟葉鞘為害狀,以植株受害程度(受害程度:梢部枯死>側芽萌發(fā)>蔗莖損傷)為螟害等級劃分基礎,結合相應受害部位數(shù)量,制定甘蔗生長中后期植株螟害等級評定標準,見表1。

    螟害指數(shù)/%=[∑(評分等級×相應等級株數(shù))]/(調查總株數(shù)×最高等級)×100

    1.2.5 經濟性狀損失量調查 在甘蔗收獲季進行單株考種,在調查抗性評價候選指標的同時,以單株為統(tǒng)計單元測定處理A和處理B的經濟性狀:單株蔗莖田間錘度與實測單莖重。其中蔗莖田間錘度測定方法是:分別測定蔗莖梢部-距梢部可見肥厚帶往下第3節(jié)節(jié)間、中部-1/2蔗莖高度部位節(jié)間、基部-甘蔗基部往上第3節(jié)節(jié)間,3個部位的田間錘度平均值。利用糖分經驗公式換算植株蔗糖分,以處理B同處理A的蔗糖分和實測單莖重差值作為各品種(系)的螟害蔗糖分損失量和單莖重損失量。

    甘蔗糖分經驗公式[14]:甘蔗蔗糖分/%=平均錘度×1.082 5-7.703

    1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

    數(shù)據(jù)采用SPSS(Statistical Package for the Social Science)19.0軟件包進行統(tǒng)計分析。先對收集的不同量綱的數(shù)據(jù)采用Z-score法進行標準化,以消除不同量綱的影響,而后用于統(tǒng)計分析。采用Pearson相關分析法進行抗性相關指標與經濟性狀之間的相關性分析;采用進入法對標準化后的數(shù)據(jù)進行回歸分析獲得各抗性相關指標對經濟性狀的影響程度,采用逐步法對原始數(shù)據(jù)進行回歸分析得到各抗性相關指標對經濟性狀的回歸方程;應用最大方差法旋轉獲得因子載荷矩陣,進行相關因子得分分析;以因子得分為變量和歐式距離平方作為品種間距離,組間連接的聚類方法對品種(系)抗螟性進行系統(tǒng)聚類分析。

    2 結果與分析

    2.1 甘蔗品種(系)抗螟性評價候選指標

    19個甘蔗新品種(系)抗螟性候選指標的變異見表2。19個甘蔗新品種(系)螟害株率均為100%,螟害株率在甘蔗品種(系)間不存在差異,該指標不適合用于評價甘蔗螟蟲的抗性,后續(xù)研究分析中剔除了該指標。除螟害株率外,其他6個抗性相關指標存在豐富的變異,變異系數(shù)在16.10%~77.64%,其中以枯梢率的變異幅度最大,達到77.64%,以其作為抗性指標可能具有較大的潛力;其他抗性相關指標的變異系數(shù)由大到小依次是:蛀道長度、螟害指數(shù)、蛀道數(shù)、羽化率和螟害節(jié)率。通過方差分析結果可知,6個抗性相關指標在19個甘蔗新品種(系)間的差異均達到了顯著水平,表明不同基因型甘蔗品種(系)的抗螟性存在差異。

    2.2 甘蔗品種(系)抗螟性指標與經濟性狀間的相關分析

    由表3可見,螟害節(jié)率與枯梢率、蛀道數(shù)和蛀道長度間均存在顯著正相關,蛀道數(shù)與蛀道長度也存在顯著正相關,螟害指數(shù)與螟害節(jié)率和枯梢率間存在極顯著正相關。6個抗螟性指標與經濟性狀之間的相關分析結果表明,螟害節(jié)率、螟害指數(shù)和蛀道長度均與甘蔗單莖重損失量存在顯著正相關,說明這3個抗螟性指標均可用于判斷螟害對甘蔗產量所造成的損失;螟害指數(shù)和羽化率與甘蔗蔗糖分損失量存在顯著正相關,可見這2個抗螟性指標均可用于判斷螟害對甘蔗蔗糖分所造成的損失。綜合上述2個方面的分析,唯有螟害指數(shù)與甘蔗單莖重損失量和蔗糖分損失量均存在顯著正相關,即螟害指數(shù)是判斷螟蟲對甘蔗產量和品質2個方面影響的最佳指標。

    2.3 抗螟性指標的多元回歸分析

    采用螟害節(jié)率(x1)、螟害指數(shù)(x2)、枯梢率(x3)、蛀道數(shù)(x4)、蛀道長度(x5)和羽化率(x6)對甘蔗單莖重損失量(Y1)和甘蔗蔗糖分損失量(Y2)進行多元回歸分析,其標準化系數(shù)見表4。對甘蔗單莖重損失量影響最大的3個指標依次是蛀道長度、螟害指數(shù)和螟害節(jié)率,對甘蔗蔗糖分損失量影響最大的2個指標分別是螟害指數(shù)和羽化率。應用逐步多元回歸分析,剔除偏相關系數(shù)未達到顯著水平(p>0.05)的抗性指標,獲得甘蔗單莖重損失量同抗螟性指標間的多元回歸方程:

    Y1=0.305+0.885x1-0.004x2+0.003x5(其中r=0.601>r0.05(18)=0.587)

    甘蔗蔗糖分損失量同抗螟性指標間的多元回歸方程:

    Y2=-1.702+0.043x2+3.146x6(其中r=0.700>r0.05(18)=0.532)。

    2.4 抗螟性相關指標的因子分析

    所采用的6個抗螟性相關指標間存在相關性,為消除指標間的共線性,利用因子分析對抗螟性指標進行降維,轉化為相對獨立的新變量。對6個抗螟性指標進行因子分析,相關矩陣經KMO和Bartletts檢驗,KMO值=0.69,Bartletts值=55.78(p<0.01),適合進行因子分析,經因子分析得到旋轉后的載荷矩陣見表5。依據(jù)公因子特征根>1的提取方法,共提取了3個因子,其累計方差貢獻率為89.72%,說明所提取的公因子對總信息量解釋度達到了89.72%。從各抗性指標的提取率看,除螟害節(jié)率的提取率(77.66%)略低外,其他抗螟性指標的提取率均較高(90.02%~98.73%),表明所提取的公因子能夠較好地反映原有的抗螟性指標所包含的信息。在第1公因子中,以枯梢率(0.92)、螟害指數(shù)(0.90)和螟害節(jié)率(0.72)的載荷值居前3位,三者衡量的是螟蟲侵入后導致植株不同部位受害程度的重要指標,可稱為植株受害因子。第2公因子中載荷值最高的是蛀道長度(0.94),其次是蛀道數(shù)(0.91),2個指標均是甘蔗植株螟蟲蛀道解剖指標,可稱為蛀道解剖因子。第3公因子以羽化率的載荷值(0.95)最高,羽化率是衡量寄主植物是否適合螟蟲生長發(fā)育的指標之一,可稱為螟蟲生長發(fā)育因子。綜上所述,6個抗性相關指標可簡化為植株受害程度、蛀道解剖和螟蟲生長發(fā)育3個公因子。

    2.5 甘蔗抗螟性聚類分析

    在上述因子分析的基礎上,采用位居前3位的3個公因子的得分,通過聚類方法,對19個甘蔗新品種(系)的螟蟲抗性能力進行綜合評價,結果見圖1和表6。在歐式距離為10時,可將19個品種(系)分為5類。第Ⅰ類:粵甘42號,螟蟲為害最低,表現(xiàn)為蛀道數(shù)少、羽化率低,是供試材料中抗性最高的品種;第Ⅱ類:共包含云蔗01-1413、粵甘24號等11個品種(系),總體特征為螟蟲蟲口密度、蛀道數(shù)、蛀道長度、羽化率均處于中等水平,抗性僅次于粵甘42號,在供試材料中抗螟性表現(xiàn)為高;第Ⅲ類:云蔗99-596,螟蟲為害和羽化率雖也處于中等水平,但蛀道數(shù)和蛀道長度指標高于第Ⅱ類甘蔗品種(系),說明這類品種(系)的耐害性較低,故將其歸入中等;第Ⅳ類:包含云蔗05-49和福農07-0335兩個品種(系),總體特征為螟蟲蟲口密度高,螟害指數(shù)和枯梢率高,蛀道長,該類品種抗性水平在群體中表現(xiàn)為低;第Ⅴ類:包含福農38號、桂糖31號等4個品種(系), 植株受害程度及蛀道為害情況同第Ⅳ類抗性水平低的供試材料接近,但羽化率顯著高于其他供試品種(系),該類品種為供試材料中抗螟性最低。

    3 討論與結論

    甘蔗對螟蟲的抗性及其機制的研究已經取得了突出的進展[15]。目前在抗性鑒定方面,通常采用的是田間抗性鑒定,但因田間環(huán)境及其甘蔗自身存在的復雜性,導致抗性鑒定指標的多樣化,例如:任大方等[16]和龔恒亮等[9]以螟害節(jié)率指標進行甘蔗抗螟性等級劃分依據(jù),White等[17]采用螟害節(jié)率和螟害指數(shù)進行甘蔗抗螟性綜合評價,Nibouche等[18]和Keeping等[19]采用螟害蛀道數(shù)及蛀道長度指標進行甘蔗螟害受害程度分析,Bessin等[20]和Milligan等[7]將羽化率指標引入用于評價甘蔗植株的抗生性。本試驗以螟害株率、枯梢率和上述5個抗性指標對19個甘蔗新品種(系)的抗螟性進行評價,研究結果發(fā)現(xiàn)在適宜的蟲源壓力下(螟害節(jié)率高于經濟防治指標閾值[8]10.00%),甘蔗品種(系)的抗螟性差異得以體現(xiàn),螟害節(jié)率、螟害指數(shù)、枯梢率、蛀道數(shù)、蛀道長度及羽化率6個抗性候選指標均可用于評價不同基因型甘蔗間的抗螟性差異,這與前人[7-8,16-20]的研究結果是一致的。在本試驗中,螟害株率抗性候選指標在不同品種(系)間不存在差異,說明在此螟蟲蟲口密度下(螟害節(jié)率高于10.00%),螟害株率不適宜用于評價甘蔗品種的抗螟性差異。

    在進行甘蔗品種抗螟性研究中,前人較多采用1種或2種評價指標對甘蔗品種(系)進行抗螟性鑒定,在本試驗中通過相關性分析結果發(fā)現(xiàn),上述抗性評價指標僅部分指標間存在顯著性相關;并以單莖重和蔗糖分損失量2個經濟性狀指標衡量各抗螟性指標評價植株受害的準確度,發(fā)現(xiàn)各抗螟性指標對經濟性狀損失量的影響是不一致的,體現(xiàn)了各抗螟性指標對植株受害影響的多樣性。以其中單一抗性相關指標研究甘蔗品種(系)對螟蟲的抗性進行評價,結果顯示各甘蔗品種(系)對螟蟲的抗性并不一致,說明不同品種(系)間存在不同的抗性機制。傳統(tǒng)的甘蔗抗螟性評價一般采用單一抗性指標進行多重比較[21-22],存在評價相關指標過于單一,且結果并不簡約直觀等缺點,而甘蔗品種(系)對螟蟲抗性是數(shù)量性狀[23],抗蟲性表達是由多個性狀綜合作用的結果[24],試驗結果認為多重抗性指標有助于綜合評價品種(系)對螟蟲的抗性。

    在本試驗中,對除螟害株率外的抗性指標進行因子分析,結果顯示,6個抗性相關指標簡化為植株受害因子、蛀道解剖因子和螟蟲生長發(fā)育因子共3個公因子,分別體現(xiàn)抗蟲性中的2種不同機制:趨排性和抗生性,進一步證明甘蔗的螟蟲抗性是由多種抗性機制相互作用的結果。不同的甘蔗品種(系)有著不同的抗性機制,在抗螟性研究中,以抗螟性機制為基礎,不僅要考慮綜合抗性指標,也應充分注重單一抗性指標,如部分甘蔗品種(系)具有較高的螟害發(fā)生率,但具有較高的抗生性或耐害性,這也是抗性評價中不可忽略的組成部分。

    供試甘蔗新品種(系)抗螟性可劃分為5個類群,其中抗性相對較高(第Ⅰ、 Ⅱ類群)的甘蔗新品種(系)有12個,占品種(系)總數(shù)的63.16%,說明中國近年來在品種的選育和推廣過程中也注重抗螟性品種的應用。在品種選育過程中也注重抗蟲性優(yōu)良親本的利用和抗蟲性形態(tài)特征植株的篩選,但缺乏相應的抗螟性標準對照,導致選育的抗螟性甘蔗品種(系)的抗性表達受環(huán)境等因素影響而造成誤判,因此甘蔗品種(系)對螟蟲的抗性等級劃分仍需進一步進行補充研究。

    甘蔗品種的抗螟性表現(xiàn)會隨環(huán)境因素、甘蔗植期而有所不同[9,19,25], 因此, 多個生長季和不同地點的綜合評價將更有說服力。此外,本研究也僅僅是基于甘蔗植株單莖重及蔗糖分損失量這2個最重要的甘蔗產量與品質性狀指標來探討螟害對不同甘蔗品種的為害程度,從而實現(xiàn)對供試的19個新甘蔗品種(系)抗螟性的相對評價。由于甘蔗螟蟲為害是一個復雜的過程,螟害發(fā)生后除影響甘蔗的產量和蔗糖分外, 還會導致甘蔗葉鞘不易脫落(夾雜物增多)、甘蔗纖維分增加、甘蔗出汁率降低等[5], 影響原料蔗產糖率, 因此,甘蔗螟蟲為害的綜合效應還有待進一步分析。

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