苦蕎品種（系）聚類分析

趙建棟，李秀蓮，史興海，陳穩(wěn)良，高 偉（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，太原03003；農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03003）

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苦蕎品種（系）聚類分析

趙建棟1，2，李秀蓮2，史興海2，陳穩(wěn)良2，高 偉2
（1山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，太原030031；
2農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030031）

為了直觀地揭示苦蕎品種（系）間的遺傳差異和類群農(nóng)藝性狀特點(diǎn)，并發(fā)掘其中的良好資源，避免雜交育種過程中選配親本的盲目性。對(duì)來自全國11個(gè)蕎麥育種單位的45個(gè)苦蕎品種（系）的6個(gè)主要農(nóng)藝性狀，進(jìn)行主成分和聚類分析。結(jié)果表明：應(yīng)用主成分分析將6個(gè)性狀簡(jiǎn)化為3個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為83%。采用聚類分析，將45個(gè)苦蕎品種（系）在2.76水平上聚為4大類：髙稈、中產(chǎn)、小粒型；中稈、高產(chǎn)、大粒型；中稈、低產(chǎn)、小粒型和髙稈、中產(chǎn)、中粒型。其中第2類綜合性狀表現(xiàn)較好，是良好的品種或良好的育種材料?？嗍w品種（系）間遺傳差異與原產(chǎn)地和地理距離無任何必然的聯(lián)系，雜交育種選配親本時(shí)，除考慮性狀互補(bǔ)、地理距離等因素外，還應(yīng)考慮其遺傳差異（不同類群）。

苦蕎；品種（系）；農(nóng)藝性狀；聚類分析

0　引言

苦蕎［Fagopyrum tataricum（L.）Gaerth］譯為韃靼蕎麥，屬蓼科（Polygonaceae）蕎麥屬（Fagopyrum Gaerth），英文名tartary buckwheat，為蕎麥屬中僅有的兩個(gè)栽培種之一［1］?？嗍w子粒富含其他糧食作物子粒中所缺如的功能因子—蘆丁和葉綠素，具有明顯的降血脂、降血糖、降尿糖作用，對(duì)糖尿病有特效，對(duì)高血脂、腦血管硬化、心血管病、高血壓有很好的預(yù)防和治療作用［2］；還具有增強(qiáng)機(jī)體免疫力、防癌、抗癌作用。因此中國非常重視苦蕎新品種選育工作并取得了很大成就。20世紀(jì)末至2015年底，全國共育成通過國家、?。▍^(qū)）鑒（審、認(rèn)）的苦蕎品種38個(gè)，其中利用引種、單株選擇、株系集團(tuán)選擇、理化誘變方法育成36個(gè)品種，占育成品種總數(shù)的94.7%。這些品種遺傳背景狹窄，沒有大的突破。利用廣泛應(yīng)用于其他作物育種中的雜交方法育成2個(gè)品種，僅占育成品種的5.3%。究其原因，除苦蕎花器小、雄蕊多、莖稈脆難去雄的原因外，雜交親本選配失當(dāng)和雜交后代選擇不準(zhǔn)確也是主要原因。

能直觀地反映作物品種資源間的遺傳差異及類群性狀特點(diǎn)的、對(duì)育種工作有很大意義的主成分和聚類分析研究，已廣泛應(yīng)于糧食作物的水稻［3］、小麥［4-5］、玉米［6-7］、高粱［8］和經(jīng)濟(jì)作物的棉花［9-10］、大豆［11-12］、向日葵［13］、亞麻［14］、芝麻［15］、甘蔗［16］、香蕉［17］以及蔬菜作物中的芥菜［18］、黃瓜［19］、花椰菜［20］和扁豆［21］中，在糧藥兼用作物的薏苡［22］和苦蕎中的應(yīng)用也有報(bào)道。高金峰等［23］利用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析等方法對(duì)西藏80份苦蕎資源的7個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分析，表明西藏苦蕎資源可以分為株高較矮大粒型、株高中等小粒型、植株矮小大粒型和植株高大莖稈粗壯型4個(gè)大類。李春花等［24］利用主成分分析和聚類分析法，表明云南苦蕎資源可分為生育期長(zhǎng)型、生育期中等和生育期短型3大類，其中第2類綜合性狀表現(xiàn)較好。但對(duì)來自全國苦蕎主產(chǎn)區(qū)的栽培資源進(jìn)行聚類分析的報(bào)道還很少。本研究對(duì)來自全國11個(gè)苦蕎育種單位的45個(gè)苦蕎品種（系）的6個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分和聚類分析，以了解品種（系）間的遺傳差異和類群特點(diǎn)，為合理利用苦蕎資源、篩選苦蕎雜交親本、合理選擇育種后代提供科學(xué)依據(jù)。

表1　試驗(yàn)編號(hào)、品種（系）名稱及供種單位

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料系全國11個(gè)蕎麥育種單位提供的45個(gè)苦蕎品種（系）（表1）。

1.2試驗(yàn)地點(diǎn)與方法

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所榆次東陽基地進(jìn)行，于2014年6月15日播種，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積（長(zhǎng)2.5 m×寬2.0 m）5.0 m2。收獲時(shí)每小區(qū)隨機(jī)取樣10株，考察6個(gè)主要農(nóng)藝性狀：株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝、二級(jí)分枝、單株粒重和千粒重。用DPS統(tǒng)計(jì)軟件分析主成分，用歐氏距離計(jì)算遺傳距離，用最短距離法進(jìn)行聚類。

1.3計(jì)算公式

遺傳相關(guān)系數(shù)［25］、遺傳相關(guān)矩陣［26］、遺傳距離［27］的計(jì)算公式分別見公式（1）、（2）、（3）。

2　結(jié)果和分析

續(xù)表1

表2　45個(gè)苦蕎品種（系）各性狀方差分析表

表3　45個(gè)苦蕎品種（系）各性狀間遺傳相關(guān)系數(shù)

2.1方差分析

對(duì)45個(gè)苦蕎品種（系）6個(gè)性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，株高、主莖節(jié)數(shù)、一級(jí)分枝、二級(jí)分枝和單株粒重差異均達(dá)到極顯著水平，千粒重達(dá)顯著水平（表2），說明45個(gè)苦蕎品種（系）間農(nóng)藝性狀差異明顯、類型多樣。

2.2性狀間的遺傳相關(guān)

對(duì)45個(gè)苦蕎品種（系）6個(gè)性狀進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果表明，苦蕎一級(jí)分枝與單株粒重間存在顯著正相關(guān)，二級(jí)分枝與單株粒重間存在極顯著正相關(guān)，株高也與單株粒重間存在微弱的正相關(guān)。主莖節(jié)數(shù)、千粒重都與單株粒重間存在微弱的負(fù)相關(guān)（表3）。說明可以通過一級(jí)分枝、二級(jí)分枝對(duì)單株粒重進(jìn)行間接選擇。

2.3主成分分析

對(duì)苦蕎6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，選取λ≥0.9 的3個(gè)特征根作為苦蕎的主成分（表4），3個(gè)入選的主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.0%，已經(jīng)包含了大部分信息。

結(jié)果表明，苦蕎第一主成分的特征向量值為2.4265，方差貢獻(xiàn)率為40%，其對(duì)應(yīng)的特征向量主要為0.5051（主莖節(jié)數(shù)）、0.4510（株高）和0.3443（千粒重），其他性狀皆為負(fù)值。因此，第一主成分是以主莖節(jié)數(shù)為主的豐產(chǎn)株型因子?？嗍w第二主成分的特征向量值為1.6548，方差貢獻(xiàn)率為28%，其對(duì)應(yīng)的特征向量主要為0.5583（單株粒重）和0.5361（二級(jí)分枝），其他性狀皆為較小的正值?？嗍w第三主成分的特征向量值為0.9289，方差貢獻(xiàn)率為15%，其對(duì)應(yīng)的特征向量主要為0.5954（千粒重）。綜觀上述分析，在進(jìn)行苦蕎新品種選育時(shí)，應(yīng)以第一主成分的主莖節(jié)數(shù)為主的豐產(chǎn)株型為主導(dǎo)，兼顧單株粒重和千粒重，對(duì)于其他性狀將不宜苛求。

2.4品種間的遺傳距離

在主成分分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算出45個(gè)苦蕎品種兩兩間的遺傳距離（歐氏距離）。其中系統(tǒng)間最短距離平方根為：

表4　入選特征根與特征向量

圖1　45個(gè)苦蕎品種（系）的聚類圖

2.5聚類分析

用最短距離法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，在距離值2.76處截取分類界限，得到45個(gè)苦蕎品種（系）的聚類結(jié)果（圖1、表5、表6）。

聚類分析結(jié)果表明，45個(gè)苦蕎品種（系）可分為4大類，第1類包括29個(gè)品種（系），屬髙稈、多節(jié)位、少分枝、中產(chǎn)、小粒型，遍布全國11個(gè)苦蕎育種單位，南方北方都有，分布范圍最廣；第2類包括7個(gè)品種（系），屬中稈、多節(jié)位、中分枝、高產(chǎn)、大粒型，除‘榆6-21’外，主要分布在南方；第3類包括4個(gè)品種（系），屬中稈、中節(jié)位、多分枝、低產(chǎn)、小粒型，除‘蜜蜂頭1號(hào)’外，主要分布在南方；第4類包括4個(gè)品種（系），屬高稈、多節(jié)位、少分枝、中產(chǎn)、中粒型，全部分布在南方。

表5　45個(gè)苦蕎品種（系）系統(tǒng)聚類表

表6　45個(gè)苦蕎品種（系）系統(tǒng)聚類農(nóng)藝性狀特點(diǎn)（類群平均值）

3　討論與結(jié)論

本研究利用主成分分析，將45個(gè)苦蕎品種（系）的6個(gè)性狀簡(jiǎn)化為3個(gè)綜合指標(biāo)，苦蕎新品種選育時(shí)，應(yīng)以主莖節(jié)數(shù)（株高）、單株粒重和千粒重為主要依據(jù)。與李秀蓮等［28］推薦的標(biāo)準(zhǔn)相一致。在主成分分析的基礎(chǔ)上，將45個(gè)苦蕎品種（系）聚為4類：第1類平均株高121.2 cm、單株粒重3.3、千粒重17.9 g，屬髙稈、中產(chǎn)、小粒型；第2類平均株高102.6 cm、單株粒重7.6 g、千粒重21.6 g，屬中稈、高產(chǎn)、大粒型，是優(yōu)良品種或選育優(yōu)良品種的理想資源。事實(shí)上7個(gè)品種（系）中的2個(gè)品種‘榆6-21’和‘鳳凰苦蕎’分別通過青海省和國家審定，也證明了這一點(diǎn)。第3類平均株高89.6 cm、單株粒重1.3 g、千粒重18.1 g，屬中稈、低產(chǎn)、小粒型；第4類平均株高136.7 cm、單株粒重3.6 g、千粒重19.9 g，屬高稈、中產(chǎn)、中粒型。

研究結(jié)果還表明，從品種原產(chǎn)地看，來源于同一地區(qū)的不同品種，存在著遺傳差異。例如‘榆5-7’（5號(hào)）和‘榆6-21’（6號(hào)），同產(chǎn)于陜西省榆林，但分屬兩個(gè)類群2和3。從地理遠(yuǎn)近看，來自陜西省的‘79-22’（7號(hào)）與來自四川省的‘額曲’（40號(hào)）間的地理距離，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過同樣來自貴州省的‘90-2’（19號(hào)）與‘赫章黑苦蕎’（21號(hào)）之間的地理距離，但前兩者都屬1個(gè)類群（1），后兩者則分?jǐn)?shù)2個(gè)類群2和3?？梢娖贩N間的遺傳差異與地理距離間并無必然的聯(lián)系。與李秀蓮等［29］的研究結(jié)論一致。選配雜交親本時(shí)除考慮性狀互補(bǔ)、地理距離外，還應(yīng)考慮其遺傳差異（不同類群）。

本研究只分析了45個(gè)苦蕎品種（系）的6個(gè)農(nóng)藝性狀，對(duì)其重要的生育期性狀未作分析，若要更加深入了解苦蕎品種（系）及其親緣關(guān)系，需增加生育期、單株粒數(shù)、有效花序數(shù)等性狀并結(jié)合現(xiàn)代分子生物技術(shù)鑒定，對(duì)其做出更加客觀準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。

主成分和聚類分析，不僅應(yīng)用于直觀揭示苦蕎品種（系）間的遺傳差異和類群農(nóng)藝性狀特點(diǎn)及發(fā)掘有益基因，而且能夠應(yīng)用于苦蕎資源遺傳多樣性、苦蕎資源整理與歸類及苦蕎起源中心學(xué)說方面的研究，但必須結(jié)合原產(chǎn)地、植物學(xué)性狀、生物學(xué)特性并利用現(xiàn)代分子生物技術(shù)鑒定多個(gè)方面，應(yīng)用于起源學(xué)說方面的研究，還應(yīng)該考慮苦蕎資源（包括野生資源）收集的相對(duì)全面，結(jié)合古文字記載和蕎食文化等其它方面的研究。

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Cluster Analysis of Fagopyrum tataricum Varieties（lines）

Zhao Jiandong1，2，Li Xiulian2，Shi Xinghai2，Chen Wenliang2，Gao Wei2
（1Institute of Crop Variety Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，Shanxi，China；
2Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau，Ministry of Agriculture，Taiyuan 030031，Shanxi，China）

In order to reveal genetic differences and group characteristics among Fagopyrum tataricum varieties（lines）intuitively，and to further explore good resources and avoid the blindness of parent selection in breeding，six primary agronomic characters of 45 F.tartaricum varieties（lines）that came from the eleven buckwheat breeding departments all over the country were analyzed with principal component analysis and cluster analysis.The results showed that the application of principal component analysis simplified six agronomic characters into three principal components，the cumulative contribution rate reached 83%.By using cluster analysis，45 F.tartaricum varieties（lines）were classified into four types at the 2.76 level:high stalk，medium yield and small grains type，medium stalk，high yield and big grains type，medium stalk，low yield and small grains type，high stalk，medium yield and medium grains type，respectively.Among the four types，comprehensive traits of the second type were better than those of other types.It could be considered as the good varieties（breeding materials）.The genetic differences of F.tartaricum varieties had no necessary link with origin and geographical distance.In addition to complementary traits and the geographical distance，genetic differences（different groups）should be taken into consideration when the parents were selected in cross breeding.

F.tartaricum；Varieties（Lines）；Agronomic Characters；Cluster Analysis

S517

A論文編號(hào)：cjas16030019

國家燕麥?zhǔn)w麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“分子育種崗位專項(xiàng)資金”（CARS-08-A-1-3）；山西農(nóng)科院“十三五”育種工程項(xiàng)目“適于機(jī)械收獲的蕎麥新品種選育”（16yzgc035）。

趙建棟，男，1966年出生，山西平遙人，副研究員，本科，主要從事蕎麥資源與育種研究工作。通信地址：030031山西省太原市小店區(qū)龍城大街81號(hào)，E-mail：lxlian128@163.com。

李秀蓮，女，1964年出生，山西山陰人，研究員，本科，學(xué)士，主要從事蕎麥育種和栽培研究工作。通信地址：030031太原市龍城大街81號(hào)山西農(nóng)科院作物科學(xué)研究所，E-mail：lxlian128@163.com。

2016-03-22，

2016-06-22。