黃河流域棉花品種農(nóng)藝性狀的主成分及聚類分析

李武　謝德意　趙付安等

摘要： 選取102個(gè)黃河流域棉花品種作為試驗(yàn)材料，對(duì)棉花9個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分及聚類分析。結(jié)果表明，通過(guò)主成分分析將9個(gè)農(nóng)藝性狀簡(jiǎn)化為彼此互不相關(guān)的5個(gè)主成分，即第一果枝節(jié)位因子、果枝數(shù)因子、籽指因子、單鈴質(zhì)量因子、生育期因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)88.34%，可反映所有性狀的絕大部分變異信息。利用5個(gè)主成分因子進(jìn)行聚類分析，102個(gè)品種被劃分為6個(gè)類群，在6個(gè)類群中除中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的品種外，其他來(lái)自同一地區(qū)的棉花品種親緣關(guān)系較近，往往聚集在一起，可能與育種單位培育新品種時(shí)選配親本的遺傳基礎(chǔ)狹窄有關(guān)。研究結(jié)果可為棉花育種親本選配提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 棉花品種；農(nóng)藝性狀；主成分分析；聚類分析

中圖分類號(hào)： S562.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）08-0082-04

農(nóng)作物的遺傳多樣性是其遺傳改良的基礎(chǔ)，也是核心種質(zhì)構(gòu)建及雜種優(yōu)勢(shì)群劃分的重要依據(jù) [1]。目前，中國(guó)棉花新品種培育仍以雜交育種為主，研究棉花資源的特性及分類是選配雜交親本的基礎(chǔ)。利用主成分分析在水稻 [2]、小麥 [3]、玉米 [4]、大豆 [5]、棉花 [6-7]等作物研究應(yīng)用較多，為育種工作者對(duì)某些性狀的選擇和改良提供了依據(jù)，提高了選擇效率，但將主成分分析與聚類分析相結(jié)合綜合評(píng)價(jià)棉花種質(zhì)資源的報(bào)道甚少，為拓寬黃河流域棉花的遺傳基礎(chǔ)，提高其遺傳多樣性，豐富雜交育種的親本資源，本研究在對(duì)黃河流域102個(gè)棉花品種的9個(gè)農(nóng)藝性狀在主成分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析，研究棉花遺傳多樣性，旨在客觀評(píng)價(jià)上述品種，為棉花育種材料的選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

棉花品種由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所、河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所提供，共102個(gè)品種，品種名稱及編號(hào)見(jiàn)表1。

1.2 方法

1.2.1 田間種植 2013年，將102份材料種植于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽(yáng)試驗(yàn)田。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每小區(qū)2行，行長(zhǎng)4.5 m，行距0 .9 m，株距0.3 m，田間管理方法與當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植相同。

1.2.2 性狀調(diào)查及分析 每小區(qū)選取中間有代表性的棉花10株，考察性狀有株高、營(yíng)養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分、籽指、生育期9個(gè)性狀，數(shù)據(jù)利用Excel和DPS軟件進(jìn)行方差分析、主成分分析、聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀方差分析

對(duì)102個(gè)棉花品種的生育期、株高、營(yíng)養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分、籽指進(jìn)行方差分析（表2），結(jié)果表明，品種間9個(gè)農(nóng)藝性狀差異均達(dá)到極顯著水平，均可以進(jìn)行主成分分析。

2.2 農(nóng)藝性狀間相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果（表3）表明，黃河流域棉花品種生育期與營(yíng)養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、單株鈴數(shù)，株高與營(yíng)養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、單株鈴數(shù)，單鈴質(zhì)量，第一果枝著生節(jié)位與單株鈴數(shù)，果枝數(shù)與單株鈴數(shù)，單株鈴數(shù)與衣分呈極顯著正相關(guān)；生育期與株高，株高與果枝數(shù)，營(yíng)養(yǎng)枝與單鈴質(zhì)量，第一果枝著生節(jié)位與單鈴質(zhì)量、衣分呈顯著正相關(guān)；營(yíng)養(yǎng)枝與果枝數(shù)，第一果枝著生節(jié)位與果枝數(shù)，衣分與籽指呈極顯著負(fù)相關(guān)。表明棉花品種株高越高相應(yīng)的營(yíng)養(yǎng)枝、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)增多，單鈴質(zhì)量提高，生育期延長(zhǎng)；棉花品種第一果枝著生節(jié)位較高，生育期延長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)枝較多，單株鈴數(shù)增多，單鈴質(zhì)量提高，衣分也會(huì)上升；同一品種的籽指越大，相應(yīng)的衣分就會(huì)降低，導(dǎo)致皮棉產(chǎn)量下降。

2.3 主成分分析

主成分分析結(jié)果表明，9個(gè)農(nóng)藝性狀中前5個(gè)特征值的累積貢獻(xiàn)率達(dá)88.34%，說(shuō)明棉花性狀的相關(guān)信息可以由前5個(gè)主成分來(lái)概括（表4）。選取前5個(gè)主成分及特征向量列表5，特征向量的大小表示供試品種各農(nóng)藝性狀對(duì)主成分貢獻(xiàn)的大小。第1主成分特征值為3.091，相應(yīng)貢獻(xiàn)率為34346%，從表5第1主成份中第一果枝著生節(jié)位特征向量值最大，說(shuō)明第一果枝著生節(jié)位對(duì)第1主成分影響最大，其次是營(yíng)養(yǎng)枝，因此，可以將第1主成分稱為第一果枝著生節(jié)位因子，第1主成分值增大，第一果枝著生節(jié)位增高，營(yíng)養(yǎng)枝增多，生育期延長(zhǎng)。第2特征值是1.668，貢獻(xiàn)率是18.528%，從表5可以看出[CM（25]，第2主成分中果枝數(shù)的特征向量最大，其次是單株鈴數(shù)，

說(shuō)明果枝數(shù)對(duì)第2主成分影響較大，稱之為果枝數(shù)因子，當(dāng)品種的果枝數(shù)越多，單株鈴數(shù)越多，單鈴質(zhì)量和衣分越大，產(chǎn)量就越高，而相應(yīng)的第一果枝著生節(jié)位降低，營(yíng)養(yǎng)枝減少，生育期縮短。第3個(gè)主成分特征值為1.345，貢獻(xiàn)率為14945%，其中籽指的特征向量最大，其次是株高和果枝數(shù)，因此將第3個(gè)主成分稱之為籽指因子，當(dāng)品種的籽指增大，相應(yīng)的株高增高，果枝增多但衣分降低，生育期縮短，因此第3個(gè)主成分值不宜過(guò)大。第4個(gè)主成分特征值為0.987，貢獻(xiàn)率為10970%，第4個(gè)主成分中單鈴質(zhì)量的特征向量最大（負(fù)值），說(shuō)明單鈴質(zhì)量對(duì)第4主成分影響最大，其次是單株鈴數(shù)和生育期，因此第4個(gè)主成分為單鈴質(zhì)量因子，單鈴質(zhì)量減少，相應(yīng)的株高和果枝節(jié)位降低，營(yíng)養(yǎng)枝減少，單株鈴數(shù)和果枝數(shù)增多，生育期延長(zhǎng)。第5個(gè)主成分特征值為0.860，貢獻(xiàn)

率為9550%，第5個(gè)主成分中生育期的特征向量最大，因此稱之為生育期因子，生育期延長(zhǎng)，則相應(yīng)品種果枝數(shù)，單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量增加。

2.4 棉花品種聚類分析

本研究利用主成分將9個(gè)性狀在保留它們變異總信息量88.34%的前提下濃縮為5 個(gè)主成分，然后利用5個(gè)主成分和各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值計(jì)算各個(gè)棉花品種相對(duì)應(yīng)的5個(gè)主成分得分進(jìn)行R型聚類分析，采用離差平方和法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。結(jié)果表明，當(dāng)歐式距離在9.81時(shí)可以將102個(gè)棉花品種劃分為6大類（圖1）。

第1類群包括中棉所12、晉棉19號(hào)、豫棉3號(hào)、魯棉21、鑫秋1號(hào)、魯棉研21、魯棉研22、魯棉研17號(hào)、冀棉228、晉棉38、魯棉32、魯棉研27、魯棉26、魯棉研36、魯棉29、魯棉研16、魯K638、銀山4號(hào)、中棉所44、晉棉36號(hào)、魯棉37、魯棉研28、魯棉22、魯棉研32共24個(gè)品種，對(duì)農(nóng)藝性狀分析結(jié)果，第1類屬于株高較高、營(yíng)養(yǎng)枝和果枝較多、第一果枝著生節(jié)位最高、結(jié)鈴性好、衣分最高、產(chǎn)量最高的一類品種（表6）。

第2類群包括中棉所21、中棉所23、中棉所41、鄭農(nóng)棉4號(hào)、中棉所30、中棉所35、晉棉13、中棉所3474、魯棉研29、豫棉5號(hào)、中棉所40、中棉所69共12個(gè)品種，對(duì)農(nóng)藝性狀分析結(jié)果，第2類屬于植株較高、生育期較長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)枝和果枝較多、結(jié)鈴性好、籽指偏大、衣分較低的一類品種。

第3類群包括中棉所22、中棉所33、中棉所32、豫棉19號(hào)、銀山8號(hào)、銀山6號(hào)、中棉所49、豫棉4號(hào)、魯棉27、豫棉17、新研96-48、晉棉12號(hào)、豫棉21、中棉所51504、豫棉15號(hào)、中棉所8010、冀邯3號(hào)、豫棉18、豫棉2號(hào)、豫棉1號(hào)共 21個(gè)品種，第3類屬于植株較低、生育期較長(zhǎng)、果枝和結(jié)鈴數(shù)少、單鈴質(zhì)量低、衣分一般、產(chǎn)量較低的一類品種。

第4類群包括冀棉26、冀合321、冀棉91-19、冀棉19、冀958、中棉所34、冀棉25、豫棉16、冀棉15、冀棉20、冀棉169、冀668共12個(gè)品種，通過(guò)性狀分析第4類品種屬于植株中等、生育期適中、果枝數(shù)和結(jié)鈴性一般、單鈴質(zhì)量最大、衣分較高的一類品種。

第5類群包括中棉所24、中棉所43、中棉所79、鑫秋4號(hào)、中棉所25、中棉所31、冀棉28、邯4849、魯棉研19、魯棉28、魯研棉18、中棉所45、豫棉20、冀棉668、豫棉668、豫棉112共16個(gè)品種，此類品種屬于植株中等、生育期適中、營(yíng)養(yǎng)枝較少、果枝多、結(jié)鈴較好、單鈴質(zhì)量與籽指較低、衣分和產(chǎn)量高的一類品種。

第6類群包括冀棉27、晉33、晉742、晉棉16、晉27、秋樂(lè)5號(hào)、晉棉18號(hào)、晉棉17、晉棉21、晉棉24、晉棉20、晉中200、晉棉26、晉棉25、晉棉28號(hào)、晉棉29、晉棉14、晉中169共18個(gè)品種，此類品種屬于生育期短、營(yíng)養(yǎng)枝較少、第一果著生枝節(jié)位較低、結(jié)鈴少、衣分和產(chǎn)量都較低的早熟品種。

從聚類分析結(jié)果可以看出，來(lái)自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的23個(gè)品種有20個(gè)品種主要分散聚集在第2、第3、第5類群中，分別有8、6、6個(gè)品種，說(shuō)明所育成品種遺傳多樣性較豐富，而其他來(lái)自同一地區(qū)的品種往往聚集在一起，如魯棉系列共22個(gè)品種，有16個(gè)品種在第1類群，在2、3、5、6類群中則分別有1、1、2、1個(gè)品種；冀棉系列共16個(gè)品種，有11個(gè)品種在第4類群，在1、3、5、6類群中則分別有1、1、2、1個(gè)品種，說(shuō)明同一來(lái)源地品種親緣關(guān)系較近。在雜交育種親本選擇及雜交優(yōu)勢(shì)利用上，不能僅僅只關(guān)注品種的來(lái)源地，從不同類群進(jìn)行親本組配成功率可能會(huì)更大一些。

3 討論

遺傳多樣性是新品種親本選配和雜種優(yōu)勢(shì)利用的基礎(chǔ)，種質(zhì)資源表型多樣性一直是育種工作者搜集材料的核心問(wèn)題。目前，利用分子標(biāo)記研究種質(zhì)資源的遺傳多樣性與其表型多樣性難以對(duì)應(yīng)的階段，從表型角度了解種質(zhì)資源的遺傳多樣性具有不可替代的地位 [8-9]。高產(chǎn)一直是育種工作者追求的目標(biāo)，但與產(chǎn)量相關(guān)的性狀較多且相互之間存在相關(guān)性，育種工作者往往僅關(guān)注與目標(biāo)性狀相關(guān)的少數(shù)性狀，如果僅憑少數(shù)性狀的表現(xiàn)型對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后進(jìn)行親本選配必定帶有主觀性；主成分分析法中的每個(gè)主成分是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的指標(biāo)體系，各個(gè)主成分之間不存在相關(guān)性且數(shù)值直觀容易分析 [10]。本研究對(duì)來(lái)自黃河流域102份品種的9個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析和聚類分析，結(jié)果表明，9個(gè)農(nóng)藝性狀之間均表現(xiàn)顯著差異，說(shuō)明這些品種之間差異較大；主成分將9個(gè)性狀在保留它們變異總信息量88.34%的前提下濃縮為5 個(gè)彼此不相關(guān)的主成分，即第一果枝著生節(jié)位因子、果枝數(shù)因子、籽指因子、單鈴質(zhì)量因子、生育期因子，在此基礎(chǔ)上利用5個(gè)主成分和各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值計(jì)算各個(gè)棉花品種相對(duì)應(yīng)的5個(gè)主成分得分進(jìn)行聚類分析，102個(gè)棉花品種被劃分為6個(gè)類群，其中第1、第5類群品種產(chǎn)量綜合性狀較好。

本研究聚類分析結(jié)果，中棉所23與中棉所25分別屬于不同類群，本結(jié)論與王沛政等的研究結(jié)果 [11]不一致，可能與利用性狀研究種質(zhì)資源遺傳多樣性時(shí)，其遺傳距離計(jì)算受基因型、環(huán)境、聚類方法以及聚類分析所依據(jù)的性狀有關(guān)，因此利用相同的種質(zhì)資源可能會(huì)得出不同的聚類結(jié)果，這可能是通過(guò)農(nóng)藝性狀聚類相似度較低的原因 [12]。本研究中除來(lái)源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所的品種外，其他來(lái)自同一地區(qū)的品種親緣關(guān)系較近，往往聚集在一起，這可能與育種單位培育新品種時(shí)選配親本的遺傳基礎(chǔ)狹窄有關(guān)。有些品種雖然來(lái)源于不同地區(qū)，但聚集在一類群，說(shuō)明棉花品種的遺傳差異與地理位置的遠(yuǎn)近無(wú)關(guān)，與前人研究的結(jié)果 [13]一致。因此，在雜交育種親本選擇及雜交優(yōu)勢(shì)利用上應(yīng)考慮在不同類群選擇，而不必考慮地理位置，這樣組配成功率可能會(huì)更大一些。

參考文獻(xiàn)： [HJ1.75mm]

[1] 李慧峰，車 根，李林光，等. 果樹(shù)資源遺傳多樣性研究進(jìn)展[J]. 山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009（5）：32-35，40.

[2]殷延勃，馬洪文，榮韞琛，等. 寧夏水稻主要農(nóng)藝和品質(zhì)性狀的因子分析[J]. 西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，27（2）：38-42.

[3]康立寧，魏益民，歐陽(yáng)韶暉，等. 小麥品種品質(zhì)性狀的基因型因子分析[J]. 西北植物學(xué)報(bào)，2004，24（1）：120-124.

[4]楊國(guó)虎，馮 前，羅湘寧，等. 玉米雜交種耐旱性狀的因子分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2005，23（1）：138-143.

[5]周以飛. 不同生境下菜用大豆產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的因子分析[J]. 福建農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，34（3）：282-285.

[6]韓 路，曹新川，胡守林，等. 海島棉數(shù)量性狀的因子分析[J]. 江西棉花，2005，27（3）：26-29.

[7]陳榮江，朱明哲，孫長(zhǎng)法. 棉花新品種產(chǎn)量品質(zhì)性狀的綜合評(píng)價(jià)及聚類分析[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007，16（4）：264-268.

[8]He D H，Xing H Y，Zhao J X，et al. Genrtic diversity analysis and constructing core collection based on phenotypes in cotton[J]. Agricultural Science & Technology，2010，6（10）：57-60.

[9]王林海，王曉偉，詹克慧，等. 黃淮麥區(qū)部分小麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的聚類分析[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2008，24（4）：186-191.

[10] 莊萍萍，李 偉，魏育明，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.

[11]王沛政，陳愛(ài)民，阿布來(lái)提，等. 不同來(lái)源陸地棉數(shù)量性狀主成分及聚類分析[J]. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1999，8（4）：50-52.

[12]董承光，李成奇，李生秀，等. 棉花種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)及聚類分析[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，48（3）：425-429.