新疆陸地棉品種資源的主成分分析和聚類分析

董承光，王 娟，周小鳳，馬曉梅，李生秀，余 渝，李保成

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，新疆 石河子 832000)

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新疆陸地棉品種資源的主成分分析和聚類分析

董承光，王 娟，周小鳳，馬曉梅，李生秀，余 渝，李保成*

(新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，新疆 石河子 832000)

對新疆南北疆不同時期選育的84份陸地棉品種連續(xù)2年2點14個表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析。結(jié)果表明,新疆陸地棉品種主要性狀變異豐富，尤其在籽棉產(chǎn)量、鈴數(shù)、始節(jié)高等性狀具有較大的變異系數(shù)；主成分分析結(jié)果顯示前5個主成分累積貢獻(xiàn)率為77.255 %，且第1主成分中的纖維長度、生育期和第2主成分中的衣分、籽棉產(chǎn)量具有較高的得分，反映了這4個性狀在新疆陸地棉品種改良中的重要性；聚類分析結(jié)果將84份材料分為4個類群，各類群占總材料的百分比分別為39.2 %、54.8 %、3.6 %和2.4 %，且發(fā)現(xiàn)新陸早系列和新陸中系列兩類品種在各類群中都有分布，并相互交雜。研究結(jié)果可為育種家親本材料的選擇，優(yōu)異等位基因挖掘及探索新的育種方向提供依據(jù)。

新疆陸地棉；主要性狀；主成分分析；聚類分析

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，棉花產(chǎn)業(yè)對中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的作用[1]。新疆是我國最大的植棉省區(qū)和優(yōu)質(zhì)原棉生產(chǎn)基地[2]。尤其近年來棉花生產(chǎn)發(fā)展迅速，棉花種植面積穩(wěn)定在年平均140萬hm2以上，總產(chǎn)保持在250～300萬t，平均單產(chǎn)已達(dá)到1800 kg/hm2左右，并創(chuàng)造了667m2產(chǎn)籽棉838.31 kg的世界高產(chǎn)記錄。棉花種植業(yè)已經(jīng)成為新疆及兵團(tuán)經(jīng)濟(jì)的重要支柱和植棉區(qū)農(nóng)民收入的主要來源[3]。自20世紀(jì)70年代至今，已通過新疆自治區(qū)品種審定委員會審定的適合新疆南北疆種植的新陸早系列、新陸中系列品種為新疆棉區(qū)棉花生產(chǎn)提供了重要的物質(zhì)保證。國內(nèi)研究學(xué)者以育成品種群體為材料在水稻[4]、玉米[5]、小麥[6-7]等作物方面已開展了較多研究，在棉花方面，眾多研究人員對不同棉區(qū)棉花品種及資源進(jìn)行了主要性狀的分析[8-13]，為育種家了解品種的遺傳背景、遺傳多樣性狀況及高效發(fā)掘種質(zhì)資源重要性狀基因打下基礎(chǔ)。新疆南北疆氣候差異較大，且長期形成了“矮、密、早”特殊的栽培方式，因此棉花品種間具有較大的變異，高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)品種資源較為豐富，是良好的品種資源群體。本試驗選用來自新疆南北疆不同時期審定的84個陸地棉品種進(jìn)行2年2點種植，對其主要性狀進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析，旨在全面了解新疆陸地棉品種的綜合表現(xiàn)，為進(jìn)一步篩選核心種質(zhì)，合理利用現(xiàn)有品種，發(fā)掘利用新的雜種優(yōu)勢群體和探索育種方向提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

試驗材料為84份新疆不同年代審定的陸地棉品種(表1)，其中新陸早系列47份，新陸中系列37份。所有材料于2013-2014年分別種植在新疆石河子新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所試驗基地(北疆)與新疆庫爾勒新疆兵團(tuán)第二師農(nóng)科所試驗基地(南疆)2個不同環(huán)境，各試驗點田間試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，雙行區(qū)，株距10 cm，平均行距35 cm，3次重復(fù)，以當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方法進(jìn)行田間管理。

1.2 性狀調(diào)查及數(shù)據(jù)處理

按照杜雄明等[14]的棉花種質(zhì)資源性狀描述規(guī)范，田間調(diào)查株高、始節(jié)高、始節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、生育期等；實收小區(qū)籽棉產(chǎn)量折算產(chǎn)量；室內(nèi)扎花考種單鈴重、衣分、衣指、籽指等；考種結(jié)束后分別取各材料的皮棉10～12 g檢測棉花纖維長度、比強(qiáng)度、馬克隆值等。獲得上述各性狀數(shù)據(jù)后，采用SPSS19.0計算各性狀的平均值(X)、標(biāo)準(zhǔn)差(σ)及變異系數(shù)(c.v.)等，并進(jìn)行各性狀間的相關(guān)性分析及主成分分析[15]；采用DPS V7.05軟件進(jìn)行聚類分析，并繪制聚類圖。

表1 84份材料及審定年份

續(xù)表1 Continued table 1

序號品種名稱審定年份序號品種名稱審定年份27新陸早28號Xinluzao28200669新陸中22號Xinluzhong22200528新陸早29號Xinluzao29200670新陸中23號Xinluzhong23200529新陸早30號Xinluzao30200671新陸中24號Xinluzhong24200630新陸早32號Xinluzao32200672新陸中26號Xinluzhong26200631新陸早33號Xinluzao33200773新陸中27號Xinluzhong27200632新陸早34號Xinluzao34200774新陸中28號Xinluzhong28200633新陸早35號Xinluzao35200775新陸中30號Xinluzhong30200634新陸早36號Xinluzao36200776新陸中32號Xinluzhong32200735新陸早37號Xinluzao37200777新陸中34號Xinluzhong34200736新陸早38號Xinluzao38200878新陸中35號Xinluzhong35200737新陸早39號Xinluzao39200879新陸中40號Xinluzhong40200938新陸早40號Xinluzao40200980新陸中41號Xinluzhong41200939新陸早41號Xinluzao41200981新陸中45號Xinluzhong45201040新陸早42號Xinluzao42200982新陸中46號Xinluzhong46201041新陸早45號Xinluzao45201083新陸中47號Xinluzhong47201042新陸早46號Xinluzao46201084新陸中48號Xinluzhong482010

2 結(jié)果與分析

2.1 主要表型性狀變異及分析

分別對2013和2014年調(diào)查的84份品種的14個表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計分析(表2)。其中2013年各性狀變異系數(shù)表現(xiàn)為始節(jié)高﹥籽棉產(chǎn)量﹥鈴數(shù)﹥始節(jié)位﹥子指﹥株高﹥單鈴重﹥衣指﹥果枝數(shù)﹥馬克隆值﹥比強(qiáng)度﹥衣分﹥纖維長度﹥生育期，2014年各性狀變異系數(shù)表現(xiàn)為籽棉產(chǎn)量﹥始節(jié)高﹥鈴數(shù)﹥子指﹥始節(jié)位﹥株高﹥衣指﹥果枝數(shù)﹥單鈴重﹥馬克隆值﹥比強(qiáng)度﹥衣分﹥纖維長度﹥生育期，兩年各性狀變異系數(shù)順序較為一致，說明其性狀較穩(wěn)定，受生態(tài)環(huán)境的影響較??；籽棉產(chǎn)量、始節(jié)高及鈴數(shù)兩年的變異系數(shù)都較大，說明其性狀變異程度較大、選擇范圍較寬，而衣分、纖維長度及生育期兩年的變異系數(shù)都較小，說明其性狀變異程度較小，選擇范圍較窄。

表2 參試材料表型性狀的一般性描述統(tǒng)計

續(xù)表2 Continued table 2

表型性狀Phenotypictraits年份Year平均值Mean最小值Min．最大值Max．極差Range標(biāo)準(zhǔn)差SD變異系數(shù)(%)c．v．%單鈴重Bollweight20135．714．307．503．200．518．8520145．834．907．202．300．457．70衣指Lintindex20137．846．209．703．500．688．7020147．525．609．103．500．668．74子指Seedindex201310．258．5013．805．300．929．01201411．058．6014．706．101．1010．00籽棉產(chǎn)量Rawcottonyield2013276．27188．24433．36245．1251．3518．592014276．31183．02440．81257．7955．4220．06纖維長度Fiberlength201328．5025．3032．206．901．364．78201429．1726．2032．406．201．234．22比強(qiáng)度Fiberstrength201329．2625．7035．209．501．916．53201432．4228．6038．509．902．056．31馬克隆值Micronaire20134．663．905．401．500．337．1520144．293．604．801．200．307．07

2.2 主要表型性狀間的相關(guān)性分析

分別對2013和2014年調(diào)查的14個主要表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)。2年結(jié)果顯示始節(jié)高與生育期，株高、始節(jié)位表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；

表3 參試材料各性狀間的相關(guān)性分析

注：**和*分別表示在0.01和0.05水平上差著異顯。

Note：**and * indicate significant difference at 0.01 and 0.05 (2-tailed).

衣指與衣分表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；子指與單鈴重、衣指表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，與衣分表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)；籽棉產(chǎn)量與株高、衣分表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；纖維長度與生育期、始節(jié)高、單鈴重、衣指、子指表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；比強(qiáng)度與單鈴重、纖維長度表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；馬克隆值與纖維長度表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)；籽棉產(chǎn)量與纖維長度、比強(qiáng)度兩年都表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性。分析結(jié)果表明，各性狀間表現(xiàn)為較復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，其中產(chǎn)量性狀(籽棉產(chǎn)量)與農(nóng)藝性狀(株高、衣分)表現(xiàn)為正相關(guān)性的居多，與纖維品質(zhì)性狀(纖維長度、比強(qiáng)度)表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)性的居多。

2.3 各表型性狀的主成分分析

對14個表型性狀的2年平均值進(jìn)行了主成分分析(表4)，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，結(jié)果顯示，前5個主成分的累積貢獻(xiàn)率為77.255 %。其中第1主成分中纖維長度、生育期及始節(jié)高具有正向較大特征向量值，主成分值越大越好；第2主成分中衣分、籽棉產(chǎn)量及株高具有正向較大特征向量值，主成分值越大越好；第3主成分中果枝數(shù)、比強(qiáng)度、籽棉產(chǎn)量具有正向較大特征向量值，始節(jié)位、生育期具有負(fù)向較大特征向量值，主成分值適中為宜；第4主成分中子指、單鈴重具有正向較大特征向量值，衣分具有負(fù)向較大特征向量值，主成分值適中為宜；第5主成分中衣指、衣分具有正向較大特征向量值，株高具有負(fù)向較大特征向量值，主成分值適中為宜。

2.4 聚類分析

利用DPS V7.05軟件對兩年平均值表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對數(shù)化轉(zhuǎn)換，以歐氏距離為遺傳距離，采用類平均法進(jìn)行聚類分析(UPGMA)。從聚類圖(圖1)可以看出，84份材料可分為4個類群，不同類群品種的表型性狀表現(xiàn)見下表5所示。第一類群包括33份品種，表現(xiàn)為矮桿，果枝數(shù)較少類型；第二類群包括46份品種，表現(xiàn)為生育期適中，衣分較高類型；第三類群包括3份品種，表現(xiàn)為生育期較短，始節(jié)位較低類型；第四類群包括2份品種，表現(xiàn)為生育期較長，纖維品質(zhì)優(yōu)異類型。

表4 參試材料主要性狀的主成分分析

圖1 參試材料基于表型數(shù)據(jù)的UPGMA聚類圖Fig.1 UPGMA dendrogram based on phenotypic characteristics of materials

3 討 論

表型性狀用于檢測遺傳變異具有直觀簡易的方法，是種質(zhì)資源收集、保存、鑒定和利用的基礎(chǔ)。本研究以2年2點12個重復(fù)的表型數(shù)據(jù)為依據(jù)，對84份新疆陸地棉品種材料進(jìn)行綜合評價。結(jié)果顯示新疆陸地棉品種主要性狀變異豐富，尤其在籽棉產(chǎn)量、鈴數(shù)等產(chǎn)量性狀方面變異系數(shù)較大，選擇范圍較寬。兩年相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)一步證明了產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的負(fù)相關(guān)性[16-17]，且考察始節(jié)高度可以預(yù)測品種生育期，考察棉鈴大小可以預(yù)測纖維品質(zhì)指標(biāo)。主成分分析結(jié)果顯示前5個主成分累積貢獻(xiàn)率為77.255 %，可以概括原性狀的絕大部分相關(guān)信息。其中第1主成分可以概括為主要農(nóng)藝性狀因子，第2主成分可以概括為產(chǎn)量性狀因子，前2個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)45.662 %，且第1主成分中的纖維長度和生育期分別得分為0.737、0.720，第2主成分中的衣分和籽棉產(chǎn)量分別得分為0.735、0.706，具有較高的得分，進(jìn)一步反映了這4個性狀在新疆陸地棉品種改良中的重要性。

表型性狀是遺傳與環(huán)境共同作用的結(jié)果，能較為真實地表現(xiàn)品種間的遺傳多樣性。本研究聚類分析結(jié)果將84份材料分為4個類群，各類群占總材料的百分比分別為39.2 %、54.8 %、3.6 %和2.4 %。被聚在同一類群的品種間性狀相似程度較高，遺傳背景可能差異不大。其中第二類群中的新陸中4號是從{岱字棉45×[(KK1543×2依3)×(C-1470×C-460)]}組合中經(jīng)過多年單株選擇而成的，具有美國和前蘇聯(lián)棉花的遺傳背景，而與它遺傳距離較近的新陸早24號(有前蘇聯(lián)C6524背景)、新陸中13號(有美國海島棉背景)、新陸中41號(有美國愛字棉背景)、新陸早20號(有美國貝爾斯諾背景)、新陸早25號(有美國貝爾斯諾背景)、新陸早23號(有美棉親緣關(guān)系的中棉所27背景)、新陸中15號(有美國海島棉背景)等品種均含有美國或前蘇聯(lián)棉花的遺傳背景。第4類群的2個品種新陸早26號、新陸中9號由于生育期較長，纖維比強(qiáng)度較高而聚為一類，但新陸早26號是從新陸早8號的變異單株中選育而成，新陸中9號是從新陸中4號的群體中選育而成，具有不同的遺傳背景。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于早期品種遺傳不純，材料本身存在遺傳異質(zhì)性，導(dǎo)致從同一系譜中選育而成的品種間遺傳差異較大。

表5 不同類群品種的主要性狀表現(xiàn)及變異程度

艾先濤等[18-19]將北疆新陸早系列品種和南疆新陸中系列品種分別進(jìn)行了聚類研究，本研究將兩類品種同時種植于南北疆不同環(huán)境中進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)兩類品種在各類群中都有分布，且相互交雜。深入剖析各品種的遺傳背景發(fā)現(xiàn)2類品種大部分具有美國、前蘇聯(lián)棉花的遺傳背景，育種家為得到較好的育種效果常常利用這些材料進(jìn)行復(fù)雜雜交創(chuàng)制出較好的資源材料，用其作為親本之一再與本地自育品系進(jìn)行雜交，經(jīng)多年選育而成適宜本地的品種。在遺傳與環(huán)境的共同作用下，使新疆陸地棉品種出現(xiàn)了較為豐富的變異。然而，當(dāng)前育種家急需選育一批集適宜機(jī)采的優(yōu)異株型、高產(chǎn)、優(yōu)異纖維品質(zhì)等性狀于一體的棉花品種，以適應(yīng)新疆棉花產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。本研究對新疆不同時期育成的陸地棉品種進(jìn)行綜合評價，可為后續(xù)育種家親本材料的選擇，優(yōu)異等位基因挖掘及探索新的育種方向提供依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 李山云)

Clustering and Principal Components Analysis of Xinjiang Upland Cotton Variety Resources (GossypiumhirsutumL.)

DONG Cheng-guang, WANG Juan, ZHOU Xiao-feng, MA Xiao-mei, LI Sheng-xiu,YU Yu, LI Bao-cheng*

(Cotton Research Institute, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science/Key Laboratory of China Northwesten Inland Region, Ministry of Agriculture, Xinjiang Shihezi 832000, China)

To give some message to develop upland cotton variety in Xinjiang, 14 traits of 84 varieties were analyzed by correlation and principle component in 2 places for 2 years, and the varieties were clustered based on principal components factors score. There were rich variations of main traits, and the coefficient variation of raw cotton yield, boll number and height of the first sympodial branch were higher. Principle component analysis indicated that the characteristic vector accumulated contribution rate of 5 principal components were 77.255 %. Fiber length and growth period in the 1stprincipal component, lint and raw cotton yield in the 2ndprincipal component had higher scores. Results reflected the importance of the 4 characters in upland cotton variety improvement. According to 5 principal components factors score, 84 varieties could be divided into 4 categories. And the percentage was 39.2 %, 54.8 %, 3.6 % and 39.2 % respectively. Xinluzao series and Xinluzhong series were distributed in all categories, and mixed each other. The results provided the basis for breeders in parent material choice, excellent allele mining and breeding direction exploring.

Xinjiang upland cotton; Main traits; Principal components analysis; Cluster analysis

1001-4829(2016)08-1798-08

10.16213/j.cnki.scjas.2016.08.008

2015-08-04

國家自然科學(xué)基金(31260340)；兵團(tuán)博士資金(2013BB001)

董承光(1978-)，山西孝義人，副研究員，主要從事棉花遺傳育種研究，E-mail:dcg318@163.com，*為通訊作者。

S326

A