主成分分析和隸屬函數(shù)法對含非洲種質(zhì)青貯玉米的評價

摘要：為了篩選適宜湖北省種植的全株青貯玉米組合，采用隨機區(qū)組設(shè)計及主成分分析和隸屬函數(shù)法，對23份含非洲熱帶種質(zhì)的青貯玉米組合的農(nóng)藝性狀、生物學產(chǎn)量及品質(zhì)性狀指標進行了研究。結(jié)果表明，大部分組合的株高在280 cm以上；除FC3349和FC3317有少量倒伏外，其余組合無倒伏；組合FC3316收獲時可見綠葉數(shù)最多，且生物產(chǎn)量最高，達94 230.77 kg/hm2，顯著高于其他組合（P<0.05）。各組合的中性洗滌纖維（NDF）、酸性洗滌纖維（ADF）、粗蛋白質(zhì)（CP）含量均存在顯著差異。FC3316的NDF含量最高，達49.95%，F(xiàn)C4008的NDF含量最低，僅為46.87%；參試組合的ADF含量變化范圍為24.31%～27.14%，其中FC3316含量最高；CP含量超過9%的組合有FC3304、FC3305、FC3318、FC4000，其中FC3318含量最高，達9.94%，F(xiàn)C3473含量最低，僅為6.01%。對重要農(nóng)藝、產(chǎn)量、品質(zhì)性狀進行主成分分析，提取了4個主成分，累計貢獻率達77.53%。結(jié)合各指標的相關(guān)性分析，選擇生物產(chǎn)量、單株葉重、單株穗重、CP含量4個指標采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法進行綜合評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)FC3318的隸屬函數(shù)值最高，為0.87；其次是FC3305，為0.84；FC3020表現(xiàn)最差，僅為0.36。

關(guān)鍵詞：青貯玉米；非洲種質(zhì)；生產(chǎn)性能；主成分分析；隸屬函數(shù)法

中圖分類號：S513 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）15-3824-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.15.005

Abstract： To select varieties of high yield and good quality suitable for Hubei province，23 silage maize combinations derived from Africa tropical germplasm were evaluated by randomized block design and subordinate function method. The results showed that the height of most combinations exceeded 280 cm. All combinations had no lodging except for FC3349 and FC3317，which both lodged slightly. FC3316 had the maximum green leaves at harvest time and the highest biological yield by 94 230.77 kg/hm2，which was higher than the others significantly（P<0.05）. For the content of NDF，ADF and CP，there were significant differences among combinations in this experiment. FC3316 had the highest NDF and was 49.95%，F(xiàn)C4008 had the lowest content and only was 46.87%. The ADF content of FC3304，F(xiàn)C3305，F(xiàn)C3318 and FC4000 exceeded 9%，and FC3318 had the highest content，reached 9.94%. FC3473 had the lowest content with only 6.01%. A principal component analysis was conducted on the main agronomic traits，biological yield and quality index and 4 principal components were obtained，of which accumulated contribution rate reached 77.53%. Combined with the analysis of the correlation between each index，biological yield，leaf weight of single plant，ear weight of single plant and CP content were selected by using fuzzy subordinate function value analysis. The results showed that the value of FC3318 was the maximum（0.87） and was the most suitable combination，followed by FC3305，whose value was 0.84. However，F(xiàn)C3020 showed the worst performance，of which value was as low as 0.36.

Key words： silage maize；Africa germplasm；production performance；principal component analysis；subordinate function method

青貯玉米素有“飼料大王”的美譽，是畜牧業(yè)、特別是奶牛養(yǎng)殖業(yè)粗飼料的重要來源[1，2]。優(yōu)良青貯玉米品種具有速效高產(chǎn)、營養(yǎng)價值高、非結(jié)構(gòu)性碳水化合物含量高、木質(zhì)素含量低、易于消化利用等優(yōu)點[3-6]。

生物產(chǎn)量是評價青貯玉米品種產(chǎn)量的主要指標，而植株高大、莖葉繁茂、抗倒伏、抗病蟲和抗早衰等特點會直接影響青貯玉米的最終生物產(chǎn)量[7，8]。熱帶亞熱帶地區(qū)不良環(huán)境條件下經(jīng)過長期的自然選擇和人工選擇形成的玉米種質(zhì)具有苗勢旺、根系發(fā)達、抗病抗蟲、耐高溫陰雨、持綠性好、品質(zhì)優(yōu)等育種工作者期盼的優(yōu)良特性[9]。用熱導自交系組配的青貯玉米品種抗病性會大幅度提高，成熟期綠葉數(shù)顯著增加，生物產(chǎn)量會明顯提高。為此，本研究結(jié)合種植地區(qū)的氣候條件、選擇含有熱帶血緣的青貯玉米組合23份，采用主成分分析和隸屬函數(shù)法從農(nóng)藝特性、生物產(chǎn)量等方面進行綜合評價，為選育和推廣適合湖北省種植的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)全株青貯玉米品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2011年從津巴布韋和莫桑比克引進玉米資源63份，經(jīng)田間鑒定，來自津巴布韋的YMJB001和來自莫桑比克的YMMS002和YMMS005植株較高，生物學產(chǎn)量突出，作為青貯玉米候選材料，8317、H20、TY6、473-1、F085是自選系，其余為生產(chǎn)上廣泛應用的自交系，2012年大量測交，經(jīng)田間鑒定，共選擇23個青貯玉米組合進行復配，其組配方式及親本來源見表1。

1.2 試驗設(shè)計

參考國家青貯玉米品種區(qū)域試驗實施方案，采取隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，小區(qū)面積20 m2。播種前施足底肥，在大喇叭口期適量追施尿素。穴播，寬窄行，寬行70 cm，窄行60 cm，每小區(qū) 7 行，株距 28 cm，每行 18 穴。每穴播 2～3 粒種子，在 4～5 葉期進行間苗定苗，每小區(qū)保苗數(shù)126 株。正常大田管理。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀的測定 物候期均以小區(qū)內(nèi)50%的植株達到標準為主。收獲時對整個小區(qū)進行倒伏株數(shù)調(diào)查，計算倒伏率。同時，在各小區(qū)隨機選取正常生長植株10株，測量株高、莖稈粗、綠葉數(shù)、穗位葉長、穗位葉寬、單株葉重、單株莖重、單株穗重、生物產(chǎn)量。

1.3.2 生物產(chǎn)量的測定 在大部分材料處于蠟熟期進行收獲，去掉邊行和每行頂頭的2株，取中間80株，從地上部20 cm處全株收割，稱質(zhì)量，得到小區(qū)鮮草產(chǎn)量。

1.3.3 品質(zhì)性狀的測定 每小區(qū)隨機選3株正常生長的植株整株粉碎取樣用于品質(zhì)性狀測定。粗蛋白質(zhì)含量采用GB/T 6432-1994飼料中粗蛋白質(zhì)含量（CP）的測定方法，中性洗滌纖維（NDF）和酸性洗滌纖維（ADF）含量測定采用《飼料分析與檢驗》中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量的測定方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進行整理，用新復極差法進行多重比較，對測定的農(nóng)藝性狀、生物產(chǎn)量各指標進行主成分提取和相關(guān)性分析，然后采用隸屬函數(shù)法求出每個品種主要指標的隸屬值[X（μ）][10]。其中X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin），式中，X為某品種某一指標的測定值，Xmax為所有組合某一指標測定值的最大值，Xmin為該指標中的最小值。對各個青貯玉米組合相關(guān)指標的隸屬值累加求平均值，值越大，則綜合性能越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀與生物產(chǎn)量表現(xiàn)

前期研究結(jié)果[11]表明，23份青貯玉米大部分組合的株高在280 cm以上，其中以組合FC3349最高，株高為339.0 cm；FC4008最矮，株高為265.67 cm。FC3316收獲時可見綠葉數(shù)最多，達15.67片；組合FC4008收獲時可見綠葉數(shù)最少，只有7.67片。FC3349穗位葉片最長，F(xiàn)C3304穗位葉片最短。FC3349穗位葉片最寬，達13.17 cm；FC4008穗位葉片最窄，只有8.00 cm。除FC3349和FC3317有少量倒伏外，其余組合無倒伏。

參試材料中FC3316生物產(chǎn)量最高，達94 230.77 kg/hm2，顯著高于其他組合（P<0.05）；其次為FC3312、FC3349和FC3318；最低為FC4008，比FC3316降低了57.55%，組合FC4000生物產(chǎn)量也較低，比FC3316降低了43.91%。

2.2 品質(zhì)性狀表現(xiàn)

歐洲許多國家將體外干物質(zhì)消化率（IVDMD）作為青貯玉米品質(zhì)的主要評價指標[12]，測定時主要是利用牛瘤胃液中的微生物來消化秸稈中的有機物和部分纖維素和半纖維素[13]。白琪林等[14]研究表明，中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維和木質(zhì)素含量與IVDMD呈極顯著負相關(guān)，與粗蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)。因此，青貯玉米的品質(zhì)可以從中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、粗蛋白質(zhì)的含量3個性狀加以考查。本研究中23個組合的中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、粗蛋白質(zhì)含量均存在顯著差異（表2）。就NDF而言，參試材料的NDF含量變化范圍為46.87%～49.95%，其中FC3316的含量最高，F(xiàn)C4008含量最低。大部分參試材料的ADF含量在24%～26%的區(qū)間內(nèi)變化，其中組合FC3316的含量最高，達27.14%；組合FC3989含量最低，僅為24.31%。所有參試組合中，CP含量超過9%的有FC3304、FC3305、FC3318、FC4000，其中FC3318最高，達9.94%；剩余組合中，除FC3724的CP含量為8.54%，其余組合的CP含量均在8%以下，其中FC3473含量最低，僅為6.01%。

2.3 主要農(nóng)藝性狀、生物產(chǎn)量及品質(zhì)性狀的主成分和相關(guān)性分析結(jié)果

主成分分析是通過對原始指標相互關(guān)系的研究，達到在保留原始指標信息的前提下，以互不相關(guān)的、較少個數(shù)的綜合指標（主成分）來反映原始指標所提供的信息的目的[15]。對23份青貯玉米組合的株高、莖稈粗、綠葉數(shù)、單穗質(zhì)量、倒伏率、單株莖重、單株葉重、生物產(chǎn)量、NDF含量、ADF含量以及CP含量等13個指標進行因子主成分分析，根據(jù)主成分的方差大于1的原則提取主成分，共提取了4個主成分（表3、表4），其中第一主成分的特征值為6.188 3，貢獻率為47.60%，對應特征向量中，數(shù)量較大的性狀為綠葉數(shù)、生物產(chǎn)量、單株莖重，相對應的相關(guān)系數(shù)分別為0.363 4、0.361 8和0.300 5；第二主成分的特征值為1.677 0，貢獻率為12.90%，對應的特征向量中主要表現(xiàn)在葉片性狀方面；第三主成分的特征值為1.132 9，貢獻率為8.71%，數(shù)量較大的是單株穗重，相關(guān)系數(shù)為0.527 8；第四主成分的特征值為1.081 1，貢獻率為8.32%，數(shù)量較大的是倒伏率和CP含量，相對應的相關(guān)系數(shù)分別為0.452 4、0.717 5。以上4個主成分的累計貢獻率為77.53%，基本包含了所測指標的全部信息。

為進一步篩選主要指標，對這13項指標進行相關(guān)性分析，結(jié)果（表5）表明，生物產(chǎn)量與株高、莖稈粗、綠葉數(shù)、穗位葉長、穗位葉寬、單株葉重、單株莖重均呈顯著正相關(guān)，其中與綠葉數(shù)表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)（r=0.88**），這說明綠葉數(shù)在生物產(chǎn)量表現(xiàn)中占有極為重要的位置。但生物產(chǎn)量與單株穗重顯著負相關(guān)（r=-0.52*），同時，綠葉數(shù)、穗位葉長、穗位葉寬與單株穗重亦呈顯著負相關(guān)，由此可見，青貯飼料子粒產(chǎn)量高不一定生物產(chǎn)量高，說明植株生長過程中光合產(chǎn)物分配中子粒產(chǎn)量與秸稈產(chǎn)量間存在一定矛盾。另外，株高與倒伏率呈顯著正相關(guān)（r=0.51*），說明植株越高，倒伏的風險則越大，因此在選擇青貯玉米品種或進行新品種選育時抗倒伏性也是一個必須考慮的因素。

粗蛋白質(zhì)含量與其他各性狀均無顯著相關(guān)關(guān)系，說明該性狀的形成有著很復雜的原因。生物產(chǎn)量以及與生物產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)的各性狀都與粗蛋白質(zhì)含量呈負相關(guān)，雖不顯著，但可以表明提高生物產(chǎn)量會降低粗蛋白質(zhì)含量。單株穗重與粗蛋白質(zhì)含量相關(guān)系數(shù)較大，且呈正相關(guān)，但不顯著，提高單株穗重是否可以提高粗蛋白質(zhì)含量有待于進一步的研究。NDF、ADF含量與綠葉數(shù)、單株莖重以及生物產(chǎn)量均存在顯著的正相關(guān)，表明增加綠葉數(shù)、單株莖重以及生物產(chǎn)量會提高中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維的含量。而單株穗重與NDF、ADF呈顯著負相關(guān)，表明提高單株穗重可以降低中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維含量，達到改善品質(zhì)的效果。

從選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)青貯玉米的角度考慮，對與生物產(chǎn)量有關(guān)的大多數(shù)農(nóng)藝性狀的選擇并不會顯著改變各個品質(zhì)性狀，但是對秸稈產(chǎn)量（綠葉數(shù)、單株莖重）選育將會降低粗蛋白質(zhì)含量，提高中性洗滌纖維和酸性洗滌纖維的含量。因此在兼顧較好的品質(zhì)特性時，要適當降低秸稈產(chǎn)量提高單株穗重，處理好產(chǎn)量和品質(zhì)這一矛盾。

2.4 不同青貯玉米的綜合評價結(jié)果

綜合主成分分析和各指標相關(guān)性分析結(jié)果，在第一主成分下選擇生物產(chǎn)量來代表與產(chǎn)量有關(guān)的特征，在第二主成分選擇單株葉重，第三主成分選擇單株穗重，第四主成分選擇粗蛋白質(zhì)含量，共選擇了4個主要指標，采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法進行數(shù)據(jù)分析。結(jié)果（表6）表明，在所有參試組合中，F(xiàn)C3318表現(xiàn)最好，平均隸屬函數(shù)值為0.87；其次為FC3305，平均隸屬函數(shù)值為0.84，其余組合平均隸屬函數(shù)值均小于0.70；FC3020、FC3312、FC4008、FC4009等組合的平均隸屬函數(shù)值均小于0.40，綜合表現(xiàn)較差，剩下的組合表現(xiàn)一般。

3 小結(jié)與討論

正確地綜合評價篩選出的組合的生產(chǎn)性能是育種者正式推出育成品種的必要前提，亦是推廣者需要面臨的一個問題。前人利用主成分分析和隸屬函數(shù)法在綜合評價牧草抗逆性方面已作了較多的研究[16，17]，但在青貯玉米多個組合綜合評價方面相對較少[18，19]。通過本試驗的研究發(fā)現(xiàn)，結(jié)合主成分分析簡化多個測定指標，提取主要因子，然后再采取隸屬函數(shù)法對青貯玉米品種進行綜合評價，方法合理、無人為因素限制，能較全面地反映一個品種綜合生產(chǎn)性能的優(yōu)劣，其結(jié)果與試驗表現(xiàn)相吻合。

玉米的各性狀間有著密切的關(guān)系，明確其間的關(guān)系對玉米品種的選育有著重要的意義。青貯玉米品種選育目標認為，要提高品種產(chǎn)量，植株高大、葉片繁茂、保綠性好是選育的首要標準。本試驗結(jié)果表明，青貯玉米的生物產(chǎn)量與收獲時可見綠葉數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），這一結(jié)論與前人[20-22]研究結(jié)果一致。在本試驗中發(fā)現(xiàn)，倒伏率與株高呈顯著正相關(guān)（r=0.51*）。前人研究[23-25]認為，株高與青貯玉米生物產(chǎn)量關(guān)系密切，植株高大是青貯玉米選育的關(guān)鍵之一。而因植株高大引起的倒伏會帶來很多負面影響，由此可知，青貯玉米品種的選育應在不倒伏的前提下，追求高大的植株乃至高的生物產(chǎn)量。較高的生物產(chǎn)量和良好的營養(yǎng)品質(zhì)是優(yōu)良青貯玉米品種的必備條件，青貯玉米的營養(yǎng)成分大多貯存在子粒中。然而，本試驗研究結(jié)果表明，單株穗重不僅與綠葉數(shù)、穗位葉長、穗位葉寬呈顯著負相關(guān)，而且也與生物產(chǎn)量呈顯著負相關(guān)，這說明植株生長過程中光合產(chǎn)物分配中子粒產(chǎn)量和秸稈產(chǎn)量間存在一定矛盾。這也又一次驗證了品質(zhì)和產(chǎn)量總是呈負相關(guān)的固有規(guī)律。綜上所述，青貯玉米優(yōu)良品種的選育應持以下標準：不倒伏、植株高大、耐密植、保綠度高、單位面積生物產(chǎn)量高，果穗可作為輔助指標。

熱帶亞熱帶玉米種質(zhì)在自然和人為選擇共同作用下，逐漸演化成遺傳變異豐富的種質(zhì)類群。它具有許多溫帶種質(zhì)不具備的抗逆性。如根系發(fā)達、抗病蟲、耐高溫、耐陰雨、持綠性好等。把它導入溫帶種質(zhì)中，合成既具有溫帶種質(zhì)的適應性，又具有熱帶種質(zhì)抗逆性的新種質(zhì)，可大大提高新種質(zhì)的生態(tài)適應能力。劉治先等[26]的研究結(jié)果表明，將熱帶種質(zhì)導入溫帶種質(zhì)后，新選育自交系與溫帶同型系相比，大、小斑病病情指數(shù)分別降低61.5%～78.9%和53.8%～69.4%，青枯病、病毒病病株率分別降低84.1%～93.2%和86.7%～98.2%，成熟時全株綠葉數(shù)增加2.6～4.4倍。熱帶亞熱帶種質(zhì)在溫帶種植雖然存在極強烈的光周期反應，但由于青貯玉米品種對與結(jié)實性相關(guān)的諸多性狀要求不嚴格，因此，熱帶種質(zhì)導入溫帶種質(zhì)而育成的青貯玉米品種可以變熱帶種的劣勢為優(yōu)勢，讓熱帶種質(zhì)在青貯玉米育種中發(fā)揮獨特的優(yōu)勢。

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