22個(gè)玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的主成分和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析

倪正斌 ，朱俊凱 ，王陳燕 ，孫紅芹 ，萬(wàn)林生 ，孫明法 *

（1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 鹽城224005；2.江蘇金土地種業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州225002；3.鹽城市亭湖區(qū)農(nóng)委，江蘇 鹽城224005）

22個(gè)玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的主成分和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析

倪正斌1，朱俊凱2，王陳燕3，孫紅芹1，萬(wàn)林生1，孫明法1*

（1.江蘇沿海地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 鹽城224005；2.江蘇金土地種業(yè)有限公司，江蘇 揚(yáng)州225002；3.鹽城市亭湖區(qū)農(nóng)委，江蘇 鹽城224005）

為揭示江蘇揚(yáng)州地區(qū)夏玉米植株農(nóng)藝性狀對(duì)產(chǎn)量的影響，主要通過(guò)主成分分析和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析方法，對(duì)2015年度參加江蘇省玉米區(qū)域試驗(yàn)的22個(gè)組合11個(gè)性狀的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行研究。結(jié)果表明：主成分分析的前3個(gè)主成分(Y1，Y2，Y3)的總貢獻(xiàn)率達(dá)到71.329 6%，根據(jù)需要對(duì)其繼續(xù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析，得到不同聚類(lèi)結(jié)果，可為選擇優(yōu)良的親本組合提供參考依據(jù)。

玉米；農(nóng)藝性狀；主成分；動(dòng)態(tài)聚類(lèi)

玉米是世界上主要的糧食作物之一，又是重要的工業(yè)原料和“飼料之王”，用途多、產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、涉及面廣，既關(guān)系到國(guó)家糧食安全，又關(guān)系到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。由于我國(guó)玉米產(chǎn)量的90%以上都用于飼料和工業(yè)原料，因此其消費(fèi)彈性和供求變化都大于水稻與小麥，對(duì)玉米育種的要求也日趨專(zhuān)業(yè)化與多樣化。

當(dāng)前玉米育種工作越來(lái)越精細(xì)化，使得在傳統(tǒng)育種中，依賴(lài)肉眼判斷農(nóng)藝性狀和唯產(chǎn)量高低判斷其價(jià)值顯示出越來(lái)越多的弊端。本研究通過(guò)將多元統(tǒng)計(jì)分析方法中的主成分分析和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析結(jié)合起來(lái)，對(duì)玉米多個(gè)農(nóng)藝性狀資料進(jìn)行降維，通過(guò)線性組合，提煉出彼此獨(dú)立的2～3個(gè)主成分，并對(duì)提煉出來(lái)的幾個(gè)主成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析，將品系（種）或者育種材料進(jìn)行分類(lèi)，從而選擇與對(duì)照一類(lèi)或者超越對(duì)照性狀的幾類(lèi)進(jìn)行進(jìn)一步研究，為傳統(tǒng)育種的量化分析提供一個(gè)新的思路。近年來(lái)，利用主成分分析對(duì)作物的農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類(lèi)已被廣泛使用在植物品系（種）評(píng)價(jià)及農(nóng)藝性狀的相關(guān)研究中[1-7]。本文運(yùn)用主成分分析對(duì)玉米的農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類(lèi)，并對(duì)玉米雜交種各農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可為揚(yáng)州地區(qū)玉米雜交種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以2015年參加江蘇省普通玉米預(yù)試的22個(gè)玉米組合為供試材料，其編號(hào)分別為CY01、CY02、…、CY22，其中CY22為對(duì)照。試驗(yàn)于2015年3—7月在揚(yáng)州金土地種業(yè)有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇有代表性、地勢(shì)平坦、排灌方便、土壤肥力中等、地力均勻、前作為大麥的田塊進(jìn)行區(qū)域試驗(yàn)。小區(qū)面積24 m2，長(zhǎng)方形，采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)。試驗(yàn)地四周設(shè)保護(hù)行。田間管理按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)水平進(jìn)行，各項(xiàng)栽培管理措施一致。因當(dāng)年無(wú)特殊及異常氣象條件，各雜交組合均未發(fā)生明顯病害。玉米成熟后收獲前進(jìn)行田間取樣，調(diào)查各個(gè)玉米參試雜交組合的主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查

2015年7月玉米成熟后，在每個(gè)組合中隨機(jī)選取 10 個(gè)單株，對(duì)其生育期（X1）、株高（X2）、穗位高（X3）、穗長(zhǎng)（X4）、穗粗（X5）、禿尖長(zhǎng)（X6）、穗行數(shù)（X7）、行粒數(shù)（X8）、千粒質(zhì)量（X9）、出籽率（X10）及小區(qū)產(chǎn)量（X11）進(jìn)行調(diào)查。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；SPSS進(jìn)行主成分分析，根據(jù)各性狀間的遺傳相關(guān)關(guān)系矩陣計(jì)算特征根、特征向量；基于Matlab R2014a，采用動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析中最小組內(nèi)平方和法（SSW）進(jìn)行聚類(lèi)分析。

2017-04-27

江蘇省農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項(xiàng)目[CX(15)1005-3-1]；農(nóng)業(yè)部沿海鹽堿地科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站開(kāi)放課題(YHS201609)。

倪正斌（1985—），男，助理研究員，主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:303796259@qq.com。

*通訊作者：孫明法（1966—），男，研究員，主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:201493682@qq.com。

2 結(jié)果與分析

2.1 22個(gè)供試玉米雜交組合材料的農(nóng)藝性狀

表1為2015年度江蘇省玉米區(qū)域試驗(yàn)22個(gè)組合11個(gè)性狀的數(shù)據(jù)資料。對(duì)22個(gè)玉米雜交組合11個(gè)性狀數(shù)據(jù)及其變異情況分析表明（表1、表2），各農(nóng)藝性狀中，生育期、株高、穗長(zhǎng)、穗粗、行粒數(shù)、出籽率和小區(qū)產(chǎn)量的變異系數(shù)均小于10%，其余3個(gè)性狀變異系數(shù)均超過(guò)10%，說(shuō)明參試組合來(lái)源不同，不同的種質(zhì)資源的性狀差異較大，尤其是禿尖長(zhǎng)、穗位高、千粒質(zhì)量差異明顯，增加了玉米品系（種）選育材料的多種選擇性。

表1 22個(gè)玉米雜交組合11個(gè)性狀表現(xiàn)

表2中22個(gè)參試玉米組合變異系數(shù)最大的是80.32%，最小的為1.07%，可見(jiàn)各性狀的變異系數(shù)差異明顯。玉米組合變異系數(shù)大小排序?yàn)椋憾d尖長(zhǎng)（X6）＞ 穗位高（X3）＞ 千粒質(zhì)量（X9）＞ 小區(qū)產(chǎn)量（X11）＞行粒數(shù)（X8）＞ 穗行數(shù)（X7）＞ 穗長(zhǎng)（X4）＞ 株高（X2）＞ 穗粗（X5）＞ 出籽率（X10）＞ 生育期（X1）。

表2 22個(gè)玉米雜交組合11個(gè)性狀變異情況

2.2 對(duì)供試玉米農(nóng)藝性狀的主成分分析

表3列出了22個(gè)供試材料的各農(nóng)藝性狀主成分分析的結(jié)果。由表3可知，前3個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為31.246 0%、23.294 7%和16.788 9%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)71.329 6%。

第一主成分：

Y1=-0.081 1X1+0.367 7X2+0.352 0X3-372 2X4+0.551 2X5-0.223 8X6-0.066 5X7-0.009 3X8+0.353 5 X9+0.326 7X10-0.075 3X11；

第二主成分：

Y2=0.285 5X1+0.431X2-0.078 6X3+0.165 6X4-0.344 2X5-0.222 2X6-0.190 0X7-0.155 0X8+0.576 4 X9-0.349 1X10-0.130 6X11；

第三主成分：

Y3=0.302 3X1+0.353 4X2-0.142 9X3-0.294 0X4-0.480 5X5+0.138 3X6+0.233 0X7+0.279 5X8-0.084 9 X9+0.513 4X10-0.153 6X11，

該結(jié)果表明，前3個(gè)綜合指標(biāo)（主成分）基本上反映了11個(gè)指標(biāo)的全部信息。根據(jù)3個(gè)主成分在各個(gè)性狀所對(duì)應(yīng)的特征向量，穗位高、千粒質(zhì)量、株高、出籽率等性狀在Y1中所占的比重較大；千粒質(zhì)量、生育期等性狀在Y2中所占的比重較大；出籽率、株高、生育期等性狀在Y3中所占的比重較大。

表3 各個(gè)主成分的特征向量和累積貢獻(xiàn)率

2.3 對(duì)3個(gè)主成分的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析

對(duì)Y1、Y2、Y3主成分進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析，結(jié)果如圖1—3所示，其中圖1是分為3類(lèi)的結(jié)果，SSW=88.218 7，其中 CY2、CY3、CY7、CY13、CY14、CY17、CY18、CY19 歸為一類(lèi)，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22 歸 為 一 類(lèi) ，CY1、CY4、CY11、CY12、CY16歸為一類(lèi)，每一類(lèi)所包含的序號(hào)即為所對(duì)應(yīng)的雜交組合。

圖1 22個(gè)雜交組合聚為3類(lèi)

圖2為分為4類(lèi)的結(jié)果，SSW=59.153 9，其中CY1、CY4、CY11、CY12 、CY16 歸 為 一 類(lèi) ，CY2、CY13、CY17 歸 為 一 類(lèi) ，CY3、CY7、CY14、CY18、CY19 歸為一類(lèi)，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22歸為一類(lèi)，每一類(lèi)所包含的序號(hào)即為所對(duì)應(yīng)的雜交組合。

圖2 22個(gè)雜交組合聚為4類(lèi)

圖3是分為5類(lèi)的結(jié)果，SSW=43.577 8，其中CY1、CY4、CY11 歸為一類(lèi)，CY12、CY16 歸為一類(lèi)，CY2、CY13、CY17 歸 為 一 類(lèi) ，CY3、CY7、CY14、CY18、CY19 歸為一類(lèi)，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22 歸為一類(lèi)，每一類(lèi)所包含的序號(hào)即為所對(duì)應(yīng)的雜交組合。

依據(jù)這樣的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析結(jié)果，就可以將各個(gè)雜交組合根據(jù)需要?jiǎng)澐植煌念?lèi)，同一類(lèi)內(nèi)的雜交組合相似，不同類(lèi)之間的雜交組合存在較大差異，距離越遠(yuǎn)，差異越大。動(dòng)態(tài)聚類(lèi)是一種迭代算法，通過(guò)反復(fù)修改分類(lèi)可達(dá)到最滿(mǎn)意的聚類(lèi)結(jié)果。不同的聚類(lèi)結(jié)果說(shuō)明各個(gè)組合之間的親緣關(guān)系也不一樣，可更加有效直觀地了解各個(gè)組合，為傳統(tǒng)育種的量化分析提供一個(gè)新的思路。

圖3 22個(gè)雜交組合聚為5類(lèi)

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用主成分分析和最小組內(nèi)平方和法（SSW）的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析方法，對(duì)22個(gè)玉米雜交組合進(jìn)行分析，3個(gè)主成分涵蓋了全部11個(gè)性狀的71.33%的信息。給出的3個(gè)聚類(lèi)圖，可根據(jù)需要，將22個(gè)品系（組合）劃分為3～5個(gè)類(lèi)，在聚類(lèi)圖上，第一主成分坐標(biāo)軸上的數(shù)值最大的類(lèi)，為綜合性狀最優(yōu)的類(lèi)。

本研究重點(diǎn)以雜交玉米組合主要農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)為例，將多維彼此無(wú)關(guān)的雜交玉米材料的性狀數(shù)據(jù)線性簡(jiǎn)化，形成的主成分分析結(jié)果再進(jìn)行動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析，并結(jié)合在一起形成良好的多元數(shù)據(jù)分析體系，其結(jié)果更加直觀[8-9]。該分析方法給玉米雜交種性狀的量化分析提供了一個(gè)新的思路。在選配綜合性狀良好的玉米組合時(shí)，同一類(lèi)型的材料基因互補(bǔ)程度少，選育新品系（種）的概率不高。而選擇不同聚類(lèi)群體的材料進(jìn)行雜交組合，其親緣關(guān)系遠(yuǎn)，遺傳范圍廣，出現(xiàn)新品系（種）的概率高。玉米是雜種優(yōu)勢(shì)利用程度比較高的作物，現(xiàn)有的育種材料又來(lái)源于雜交組合的選系，根據(jù)動(dòng)態(tài)聚類(lèi)不同類(lèi)別的分類(lèi)結(jié)果，可更加直觀的看出他們的親緣關(guān)系，這樣可為玉米育種的親本選擇提供可視化的參考信息。

[1]寧東賢,趙玉坤,閆翠萍,等.復(fù)播花生產(chǎn)量相關(guān)性狀的主成分及通徑分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44(30):16-17,19.

[2]梁萬(wàn)鵬,柴世偉,赫春杰,等.種植密度對(duì)飼用高粱農(nóng)藝性狀及生物量的影響[J].畜牧獸醫(yī)雜志,2016,35(6):43-47.

[3]陳書(shū)霞,周 靜,申曉青,等.大蒜種質(zhì)產(chǎn)量和品質(zhì)性狀主成分聚類(lèi)分析與綜合評(píng)價(jià)[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2012,13(3):429-434.

[4]武自念,魏臻武,雷艷芳,等.12份苜蓿農(nóng)藝性狀的主成分及聚類(lèi)分析[J].草原與草坪,2011,31(1):50-53.

[5]翁伯琦,雷錦桂,王義祥,等.添加外源硒姬松茸主要農(nóng)藝性狀的主成分分析[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010，36(5):536-538.

[6]段利云,王通強(qiáng),陽(yáng)標(biāo)仁,等.甘藍(lán)型油菜主要農(nóng)藝性狀的主成分和聚類(lèi)分析[J].山地農(nóng)業(yè)生物學(xué)報(bào),2007,26(5):381-385.

[7]丁厚棟,張堯鋒,余華勝,等.甘藍(lán)型油菜種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀聚類(lèi)分析[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2009,24(增1):103-105.

[8]孫紅芹,萬(wàn)林生,倪正斌,等.甘藍(lán)型雜交油菜主要性狀的主成分和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(4):101-103.

[9]劉玉愛(ài),侯建華,高志軍,等.玉米引種材料的主成分分析和聚類(lèi)分析[J].玉米科學(xué),2006,14(2):16-18.

Assessment of the Agronomic Characters of 22 Corn Hybrids and Dynamic Clustering Analysis of Their Principal Components

NI Zheng-bin1，ZHU Jun-kai2，SUN Hong-qin1，WAN Lin-sheng1，SUN Ming-fa1
(1.Jiangsu coastal area Institute of Agricultural Sciences,Yancheng 224005,China；2.Jiangsu Kingearth Seed Co.,Ltd,Yangzhou 225002,China)

The present study was aimed to determine the impact of the agronomic characters on the yield of summer maize planted in Yangzhou region.The principal component analysis and dynamic clustering analysis were performed to evaluate 11 agronomic characters of 22 corn hybrid combinations involved in 2015 Regional Test of Corn in Jiangsu province.The principal component analysis indicated that the first three principal components(Y1,Y2,Y3)had a total contribution rate of 71.329 6%.Subsequently,they were subjected to dynamic clustering analysis based on quadratic sum within the group.Based on the result of classification and choice,the clustering results were obtained.This research is a preliminary analysis and evaluation of the germplasms of maize,providing a useful reference for future studies aiming at improving the efficiency of maize breeding.

Corn;Agronomic traits;The principal components;Dynamic clustering

S513

A

1673-6486-20170357

倪正斌,朱俊凱,孫紅芹,萬(wàn)林生,孫明法.22個(gè)玉米雜交組合農(nóng)藝性狀的主成分和動(dòng)態(tài)聚類(lèi)分析[J/OL].大麥與谷類(lèi)科學(xué),2017,34(5):18-22，37[2017-10-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20171015.1747.004.html.