基于主成分分析的玉米雜交組合農(nóng)藝性狀綜合評價

潘天遵，高聚林，蘇治軍，于曉芳，王志剛，孫繼穎，胡樹平，劉 劍，趙寬厚

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

玉米在種植面積上已經(jīng)超過水稻的種植面積，成為我國第一大糧食作物[1]，但是我國玉米種質(zhì)資源狹窄已成為制約玉米育種發(fā)展主要限制因素[2-5]。種質(zhì)資源是決定各種遺傳性狀的基因資源，是育種工作的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]。楊愛國[7]等評價了27個玉米群體配合力和產(chǎn)量雜種優(yōu)勢。孫廣全[8-10]等人評價了20個群體的抗病、農(nóng)藝性狀、配合力及其雜種優(yōu)勢關(guān)系。因此，通過群體構(gòu)建組配雜交組合，從中選育出優(yōu)良的雜交組合，是解決我國種質(zhì)資源基礎(chǔ)狹窄問題有效方法和途徑[11-12]。本研究對已組配雜交組合進行篩選，為我區(qū)玉米育種工作提供基礎(chǔ)材料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選擇早熟的21份自交系與德美亞Ⅰ號父本（♂）和德美亞Ⅰ號母本（♀）隨機組配21個雜交組合作為供試材料，并標(biāo)號為S1～S21。

1.2 試驗設(shè)計

2014年在內(nèi)蒙古包頭市葫蘆頭村對21個雜交組合進行鑒定。土壤有機質(zhì)含量23.49 g/kg，堿解氮65.38 mg/kg，速效磷 10.13 mg/kg，速效鉀 95.20 mg/kg。隨機區(qū)組設(shè)計，密度為12 000株/hm2，2行區(qū)、行長4 m、行距0.5 m，以德美亞Ⅰ號雜交種為對照（CK），試驗設(shè)3次重復(fù)，其他管理同大田。

1.3 測定指標(biāo)與方法

生育期：出苗期到成熟期天數(shù)。光合特性：灌漿期應(yīng)用美國LI-COR公司產(chǎn)LI-6400XT光合測定系統(tǒng)，采用開放式氣路和內(nèi)置光源，在同化CO21 500μmol m2/s光強條件下進行光合性能測定；選擇晴朗無云天氣 9：00～11：00 時，15：00～17：00 時，每小區(qū)取中間長勢一致3株的穗位葉測量。葉片相對葉綠素含量（SPAD值）：采用日本美能達公司產(chǎn)的手持式SPAD-502型葉綠素儀器，多點測定穗位葉。葉面積指數(shù)（LAI）：灌漿期取每個小區(qū)有代表性3株玉米，采用長寬系數(shù)法測定單株綠葉面積，并計算LAI。收獲時籽粒含水量：成熟期小區(qū)實收，采用日本PM-8188NEW谷物水分分析儀測定。苞葉數(shù)：成熟期每小區(qū)取3穗帶回實驗室數(shù)苞葉層數(shù)。收獲期苞葉含水量：成熟期每小區(qū)取3穗帶回實驗室測苞葉鮮重和苞葉干重。莖稈力學(xué)特征測定：玉米成熟期，各小區(qū)選取長勢一致3株測量株高、穗位高、第三節(jié)間莖粗、第三節(jié)間穿刺強度、第三節(jié)折斷力度。穗高系數(shù)＝穗位高/株高莖粗：采用電子游標(biāo)卡尺，測量玉米第三莖節(jié)間中間部位直徑。莖稈穿刺強度：應(yīng)用YYD-1型莖稈強度測定儀測定，將一定橫斷面積（1 mm2）的測頭在莖稈節(jié)間中部垂直于莖稈方向勻速緩慢插入，讀取穿透莖稈表皮的最大值即為穿刺強度（N/mm2）。莖稈折斷力度：采用YYD-1型莖稈強度測定儀測定，將玉米莖稈放到支架臺上，弧形探頭貼住莖稈快速下壓，計算機顯示莖稈折斷時的最大力度值即為莖稈折斷力度（N）。

計算各項指標(biāo)的變異系數(shù)，其計算公式為：

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交組合主要農(nóng)藝性狀及變異分析

由表1、表2可知，22個雜交組合的所測指標(biāo)存在豐富的差異。其中變異系數(shù)最大的性狀為氣孔導(dǎo)度（Gs），平均值為0.12，變異系數(shù)達26.05%，變幅為0.05～0.23 mol/（m2·s），氣孔導(dǎo)度最大的組合為S1-19和S1-8，最小的為S1-1和S1-9；其次為蒸騰速率（Tr），平均值為4.36%，變異系數(shù)達16.04%，變幅為2.55～6.28 mmol/（m2·s），蒸騰速率最大的組合為S1-7，S1-5和S1-3，最小的組合為S1-20。各性狀的變異系數(shù)從大到小排序依次為：氣孔導(dǎo)度＞蒸騰速率＞穗高系數(shù)＞穗上葉片數(shù)＞單株產(chǎn)量＞苞葉數(shù)＞凈光合速率＞胞間CO2濃度＞穗位高＞生育期＞LAI＞百粒質(zhì)量＞莖粗＞莖稈節(jié)間折斷力度＞收獲時苞葉含水量＞SPAD值＞莖稈節(jié)間穿刺強度＞收獲時籽粒含水量＞株高。

2.2 雜交組合主要農(nóng)藝性狀方差分析

雜交組合主要性狀方差分析結(jié)果表明，21個性狀中除了穗上葉片數(shù)達到了顯著水平，其余20個性狀均達到了極顯著水平。說明各個性狀在各組合間均存在差異，可以進一步分析。將以下21個性狀進行分類分析，第一類為宜機收的指標(biāo)：株高、穗位高、穗高系數(shù)、穗上葉片數(shù)、莖粗、莖稈節(jié)間穿刺強度、莖稈節(jié)間折斷力、收獲時籽粒含水量、收獲時苞葉含水量、苞葉數(shù)和生育期；第二類為光合特性：SPAD值、Pn、Gs、Ci、Tr；第三類為產(chǎn)量構(gòu)成因素：百粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量、穗粒數(shù)、出籽率。

表1 22個玉米雜交組合生育期、生理指標(biāo)及變異分析

2.3 雜交組合主成分分析

2.3.1 建立綜合評價指標(biāo)體系 優(yōu)良組合是由宜機收性能、光合特性和產(chǎn)量因素共同決定的，而指標(biāo)的選擇影響了宜機收性能、光合特性和產(chǎn)量因素。因此，對組合進行主成分分析，篩選21個農(nóng)藝性狀的累計貢獻率達到85%以上指標(biāo)?，F(xiàn)將21個測定指標(biāo)定義為：X1為株高，X2為穗位高，X3為穗高系數(shù)，X4為穗上葉片數(shù)，X5為莖粗，X6為莖稈節(jié)間穿刺強度，X7為莖稈節(jié)間折斷力度，X8為收獲時籽粒含水量，X9為收獲時苞葉含水量，X10為苞葉數(shù)，X11為生育期，X12為 SPAD 值，X13為 LAI，X14為 Pn，X15為Gs，X16為 Ci，X17為 Tr，X18為百粒質(zhì)量，X19為單株產(chǎn)量，X20為穗粒數(shù)，X21為出籽率。

2.3.2 雜交組合主成分分析 對22個雜交組合測定的株高等21個指標(biāo)進行主成分分析，結(jié)果見表3。根據(jù)累計貢獻率≥85%具有代表性原則，提取了前7個主成分的特征值及累計貢獻率。其中第一個主

成分特征值和貢獻率最大，分別是5.131和24.435%，其次為第二、第三、第四、第五、第六、第七，特征值和貢獻率分別為4.365、2.807、1.924、1.605、1.312、1.106 和 20.786% 、13.364% 、9.162% 、7.641%、6.246%、5.268%。

表2 2 2個玉米雜交組合主要農(nóng)藝性狀表現(xiàn)及變異分析

其中第一主成分和第二主成分累計貢獻率分別達24.435%、45.222%，對應(yīng)的特征向量較大的性狀為生育期、玉米節(jié)間穿刺強度、玉米節(jié)間折斷力度、株高、穗位高、穗高系數(shù)和收獲時苞葉含水量，這些指標(biāo)與宜機收有關(guān)，稱為宜機收因子；第三主成分的特征值2.807，貢獻率13.364%，特征向量較大的性狀為單株產(chǎn)量、穗粒數(shù)和穗上葉片數(shù)，稱為產(chǎn)量因子；而第四主成分、第五主成分和第六主成分貢獻主要集中在光合特性，特征向量較大的為Pn、Gs、Ci、莖粗、SPAD值、Tr和LAI，稱為光合因子；而第七主成分的特征值1.106，貢獻率5.268%，特征向量較大的性狀為收獲籽粒含水量和苞葉數(shù)，稱為穗部因子。以上7個主成分的累計貢獻率為86.903%，基本包含了所測指標(biāo)的全部信息。

表3 22份雜交組合S1世代主成分載荷矩陣

2.3.3 基于主成分分析對S1世代雜交組合構(gòu)建得分函數(shù) 由表3主成分載荷矩陣中的21個農(nóng)藝指標(biāo)的特征向量值為Z（x）函數(shù)自變量X（i）系數(shù)，構(gòu)建7個得分函數(shù)：

將S1世代雜交組合21個指標(biāo)原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化代入以上函數(shù)公式結(jié)果見表4。

表4 S1世代雜交組合函數(shù)值

2.3.4 基于主成分分析的雜交組合綜合評價 分別以7個主成分的貢獻率為權(quán)重，7個主成分因子的權(quán)重為 0.244、0.208、0.134、0.092、0.076、0.063、0.053，以權(quán)重為函數(shù)系數(shù)，構(gòu)建主成分綜合評價模型公式：

F＝0.244Z1+0.208Z2+0.134Z3+0.092Z4+0.076Z5+0.063Z6+0.053Z7（F為樣本綜合評價得分值），將表4中的函數(shù)值代入評價模型得表5。

由評估模型公式可以得出22份雜交組合綜合得分，由表5可知，各個雜交組合之間存在較大的差異，CK得分為0.241，排名第10，其他雜交組合表現(xiàn)優(yōu)于 CK 的依次為 S1-18＞S1-4＞S1-6＞S1-12＞S1-13＞S1-14＞S1-8＞S1-19＞ S1-20，說明這 9 個雜交組合宜機收性能較好、光合性能高、產(chǎn)量高、綜合性狀好。而其余12個雜交組合綜合性狀表現(xiàn)均低于CK。

2.4 玉米優(yōu)良雜交組合主要農(nóng)藝性狀的比較

由表6可知，通過主成分分析篩選出優(yōu)良組合的主要農(nóng)藝性狀平均值與CK比較。結(jié)果為：生育期為106 d左右與CK（106 d）基本一致且均能正常成熟；光合特性的 Pn、Gs、Ci、Tr較 CK 分別提高了13.92%、16.67%、8.86%、0.92%，而SPAD值和LAI較CK分別降低了1.76%和1.01%；產(chǎn)量因素中百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、出籽率、單株產(chǎn)量分別較CK提高了5.56%、0.61%、0.20個百分點、9.76%；株高、穗位高、穗高系數(shù)、莖粗、收獲籽粒含水量以及收獲時苞葉含水量分別較CK提高了 8.59%、32.31%、21.21%、4.49%、4.42個百分點、0.16個百分點；莖稈節(jié)間穿刺強度和莖稈節(jié)間折斷力較CK降低了6.05%和1.93%；而苞葉數(shù)與CK相等。尤其S1-8和S1-12綜合性狀較好。S1-8的21個農(nóng)藝性狀中15個農(nóng)藝性狀都優(yōu)于CK的農(nóng)藝性狀，其中SPAD值、Pn、Gs、Ci、Tr、百粒質(zhì)量、出籽率、單株產(chǎn)量分別較CK提高了 6.77%、11.39%、25.00%、3.89% 、4.36%、6.67%、0.07個百分點、6.10%；而生育期、苞葉數(shù)、收獲時苞葉含水量分別較CK低1 d、1片、2.37個百分點；株高、穗位高、穗高系數(shù)、穗上葉片數(shù)與CK表現(xiàn)一致。S1-12的21個農(nóng)藝性狀中14個農(nóng)藝性狀都優(yōu)于CK 的農(nóng)藝性狀，其中 LAI、Pn、Ci、Tr、莖粗、百粒質(zhì)量、穗粒數(shù)、出籽率、單株產(chǎn)量分別較CK提高了7.09% 、18.10% 、1.93% 、12.16% 、3.38% 、10.16% 、4.33%、1.35個百分點、6.10%；而生育期、穗上葉片數(shù)、收獲時苞葉含水量分別較CK低1 d、1片、2.77個百分點；穗高系數(shù)、苞葉數(shù)與CK表現(xiàn)一致。

表5 主成分因子綜合評價得分及排序

3 討論

在玉米育種工作中，應(yīng)用了較多數(shù)量性狀，在眾多的性狀選擇時，往往會考慮不周，給綜合評價玉米育種工作帶來一定困難[13]。應(yīng)用主成分分析方法，可以將多個指標(biāo)問題轉(zhuǎn)換較少新的指標(biāo)[14]，這種降維思想為綜合評價提供了有力的理論依據(jù)和技術(shù)支持[15]。主成分分析綜合評價也應(yīng)用于玉米品種選育方面。何文鑄等應(yīng)用主成分分析從26份青貯玉米綜合評價出4份品質(zhì)、光合特性、農(nóng)藝性狀等綜合性狀好的青貯玉米資源[16]。劉長華等用主成分分析從80份加拿大玉米群體雜交選系中，篩選出了12份優(yōu)良系[17-20]。本研究采用DPS7.05軟件的主成分分析對早代群體進行綜合評價，首先在材料的變異豐富和方差顯著基礎(chǔ)上進行了主成分分析。結(jié)果表明：篩選出優(yōu)良雜交組合有 S1-18、S1-4、S1-6、S1-12、S1-13、S1-14、S1-8、S1-19、S1-20。這些優(yōu)良組合綜合指標(biāo)表現(xiàn)較好，但是株高、穗位高、收獲時籽粒含水量、收獲時籽粒苞葉數(shù)稍高于CK。這可能是材料為群體改良早代群體的第一代，性狀還不夠穩(wěn)定，還需要對其加以改良。

本研究中篩選出9個優(yōu)良雜交組合，分別為S1-18、S1-4、S1-6、S1-12、S1-13、S1-14、S1-8、S1-19、S1-20。尤其S1-8和S1-12綜合性狀較好，這些優(yōu)良的組合在育種方面具有利用價值，也為高代群體改良提供了基礎(chǔ)材料。

表6 優(yōu)良組合主要農(nóng)藝性狀對比

參考文獻：

［1］王富貴，閆文芝，王瑞蓮，等.巴彥淖爾市玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2013（3）：3-5.

［2］Darzah L L， Zuber M S.Uited states farm maize germplasm base and commercial breedingstrategies［J］.Crop Science，1986，26：1109-1114.

［3］張世煌，彭澤斌，李新海.玉米雜種優(yōu)勢和種質(zhì)擴增、改良和創(chuàng)新［J］.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000，33（增刊）：34-39.

［4］陳彥惠，王利明，戴景瑞.中國溫帶玉米種質(zhì)與熱帶、亞熱帶種質(zhì)雜優(yōu)組合模式的研究［J］.作物學(xué)報，2000，26（5）：557-564.

［5］馮 勇，趙瑞霞，蘇二虎，等.優(yōu)質(zhì)高效青貯玉米品種選育途徑與方法的探討［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2002（專輯）：32-35.

［6］孟繁盛，寧朝輝，張玉萍，等.內(nèi)蒙古玉米農(nóng)家品種資源的搜集、整理、鑒定與評價［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2008（5）：53-55.

［7］楊愛國，張世煌，李明順，等.CIMMYT和我國玉米種質(zhì)群體的配合力及雜種優(yōu)勢分析［J］.作物學(xué)報，2006，32（9）：1329-1337.

［8］王 霞，李新海，李明順，等.二十個加拿大玉米群體性狀表現(xiàn)及對絲黑穗病抗性的評價［J］.作物雜志，2009（1）：20-22.

［9］趙英男.20個加拿大早熟玉米群體與國內(nèi)主要種質(zhì)雜種優(yōu)勢關(guān)系研究［D］.哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

［10］王振華，趙英男，孫廣全，等.加拿大玉米群體與我國主要玉米種質(zhì)雜種優(yōu)勢關(guān)系分析［J］.玉米科學(xué)，2011，19（3）：47-50.

［11］劉志鵬，雍洪軍，李 新，等.混合選擇法對玉米群體產(chǎn)量性狀改良效果的比較分析［J］.玉米科學(xué)，2011，19（1）：21-26.

［12］代秀云，于明彥，許明學(xué)，等.玉米種質(zhì)改良問題探討［J］.玉米科學(xué)，2008，16（1）：56-58.

［13］經(jīng) 菊，鄭常祥，陳柔屹，等.貴州玉米雜交組合的主成分分析［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（8）：4-6.

［14］馬立平.由多指標(biāo)向少數(shù)幾個綜合指標(biāo)的轉(zhuǎn)化：主成分分析法［J］.北京統(tǒng)計，2000，12（6）：37-38.

［15］高惠璇.應(yīng)用多元統(tǒng)計分析［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2005.

［16］何文鑄，楊 勤，高 強，等.主成分分析對青貯玉米材料綜合評價與篩選的研究［J］.玉米科學(xué)，2008，16（3）：26-29.

［17］劉長華，劉顯君，李北齊，等.加拿大早熟群體雜交選系農(nóng)藝性狀的綜合評價［J］.玉米科學(xué)，2013，21（1）：9-14.

［18］李健英，解 睿，李正莉，等.玉米核心種質(zhì)及構(gòu)建方法研究進展［J］.山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（9）：81-85.

［19］李素萍，安玉麟，李巧枝，等.主成分分析在油用向日葵雜交種選育中的應(yīng)用［J］.華北農(nóng)學(xué)報，2004，19（S1）：1-5.

［20］劉忠祥，寇思榮，何海軍，等.155份玉米自交系的類群鑒定和主成分分析［J］.河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，31（6）：19-23.