甜高粱新品種（系）綜合評(píng)價(jià)與聚類分析

高進(jìn)+蔡立旺+王永慧+施慶華+王海洋+王為+孫艷茹+陳建平

摘要：為客觀評(píng)價(jià)甜高粱新品種（系），提高其性狀改良進(jìn)程。對(duì)2014—2015年全國(guó)高粱品種區(qū)試能源青貯組15個(gè)品種（系）的主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量品質(zhì)性狀進(jìn)行了遺傳變異分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絲黑穗病接種發(fā)病率變異系數(shù)最大，高達(dá)127.47%；主成分分析表明，前5個(gè)主成分的方差累積貢獻(xiàn)率達(dá)85.442%，已反映所列性狀的絕大部分變異信息；通過各品種（系）的主成分得分對(duì)參試品種（系）進(jìn)行了聚類分析，結(jié)果將15個(gè)品種（系）分為四大類，同時(shí)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行判別分析，聚類正確率達(dá)100%；在聚類分析的基礎(chǔ)上對(duì)各類品種（系）的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀進(jìn)行了多元方差分析，對(duì)各類品種（系）的綜合評(píng)價(jià)與性狀改良方向進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：甜高粱；農(nóng)藝性狀；產(chǎn)量品質(zhì)性狀；遺傳變異；絲黑穗??；發(fā)病率；主成分分析；綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)： S514.02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2017）20-0093-05

高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench.]是世界五大谷類作物之一，也是中國(guó)最早栽培的禾谷類作物之一。甜高粱是粒用高粱的一個(gè)變種，甜高粱除具有普通高粱的一般特征外，其莖稈中還含有大量的汁液和糖分，其籽粒可食用、飼用、釀酒，莖稈可飼用、制糖、釀酒、做飲料、提煉酒精等，稈渣還可制紙、制板、人造纖維等。甜高粱作為一種新興的飼料、糖料、能源作物，極具開發(fā)價(jià)值[1-4]。

聚類分析方法在研究作物品種資源的差異和分類方面已有不少應(yīng)用，是一種比較可行的分析評(píng)價(jià)方法[5-7]。作物生物學(xué)性狀的聚類分析是其種質(zhì)資源評(píng)價(jià)的重要方面[8-9]。表型性狀的調(diào)查測(cè)定相對(duì)簡(jiǎn)單、易操作，而且更直觀，是種質(zhì)資源研究的最基本方法，也是分類不可缺少的重要依據(jù)之一[10-11]。將差異顯著的N個(gè)性狀變換為既不具相關(guān)性又能反映原來多個(gè)性狀主要信息的綜合指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，進(jìn)而比較親本間的遺傳差異，達(dá)到歸類使用的目的[12-13]。本研究通過甜高粱新品種（系）在全國(guó)不同生態(tài)環(huán)境下的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的表現(xiàn)，采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法，探討它們之間的量化關(guān)系，從而對(duì)各個(gè)參試品種（系）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和聚類分析，為甜高粱新品種（系）的推廣、高產(chǎn)高效栽培、品種的改良、品質(zhì)的提高提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甜高粱材料為2014—2015年全國(guó)高粱品種區(qū)試能源青貯組區(qū)試參試品種（系）。編號(hào)1～15的名稱依次為遼甜14-1、中科甜5號(hào)、311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜6號(hào)、遼甜14-3、吉甜雜2號(hào)、遼甜15-1、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號(hào)、154A3×Pi571、遼甜15-4、晉甜1401、遼甜15-3。試驗(yàn)分別安排在江蘇鹽城、內(nèi)蒙古赤峰、內(nèi)蒙古通遼、山西晉中、安徽蚌埠、湖南長(zhǎng)沙、河南鄭州、山東濟(jì)南、吉林公主嶺、吉林吉林、遼寧沈陽、甘肅平?jīng)?、遼寧朝陽、河北石家莊14個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行。均采用直播的方式，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，行長(zhǎng) 5 m，小區(qū)面積不少于15 m2。收獲時(shí)，去掉兩側(cè)邊行（兩側(cè)各1行），收中間數(shù)行計(jì)產(chǎn)，收獲面積不少于10 m2，密度 75 000株/hm2。栽培管理略高于當(dāng)?shù)匾话闼健?/p>

考察植株性狀有株高X1（cm）、莖粗X2（cm）、分蘗數(shù)X3（個(gè)）、生育期X4（d）、傾斜率X5（%）、倒折率X6（%）、穗長(zhǎng)X7（cm）、穗粒質(zhì)量X8（g）、千粒質(zhì)量X9（g）、育性X10（%）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量X11（kg/hm2）、籽粒產(chǎn)量X12 （kg/hm2）、莖稈含糖錘度X13（%）、莖稈出汁率X14（%）、絲黑穗病接種發(fā)病率X15（%）共15個(gè)。

1.2 方法

采用變異系數(shù)、主成分分析、聚類分析、判別分析、多元方差分析方法[6]進(jìn)行分析，以期找出具有生物學(xué)及專業(yè)意義的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，為甜高粱新品種（系）進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并制定性狀改良決策，為適應(yīng)沿海灘涂飼料化利用提供有益的信息。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22.0軟件[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的遺傳變異分析

變異系數(shù)是測(cè)定作物各性狀受一定環(huán)境條件影響發(fā)生變異程度的一個(gè)指標(biāo)，它能反映出作物性狀遺傳的基本動(dòng)態(tài)。甜高粱品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的平均值與變異系數(shù)見表1。

由表1可以看出，絲黑穗病接種發(fā)病率變異系數(shù)最大，高達(dá)127.47%；其次是育性，為74.94%。由此可見，供試甜高粱品種（系）抗病性和育性具有較豐富遺傳多樣性，改良空間較大。平均生育期132.3 d，變異系數(shù)3.75%；莖稈出汁率平均為47.8%，變異系數(shù)3.91%，表明這2個(gè)性狀受外部環(huán)境因素及栽培條件的影響較小，主要受遺傳因子支配。其他性狀的變異系數(shù)依次為株高<穗長(zhǎng)<莖稈含糖錘度<鮮質(zhì)量產(chǎn)量<籽粒產(chǎn)量<分蘗數(shù)<千粒質(zhì)量<莖粗<傾斜率<穗粒質(zhì)量<倒折率。

2.2 主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

表2顯示，株高（X1）與生育期（X4）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)，與倒折率（X6）呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗（X2）與千粒質(zhì)量（X9）呈顯著負(fù)相關(guān)；分蘗數(shù)（X3）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈極顯著正相關(guān)；生育期（X4）與倒折率（X6）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負(fù)相關(guān)，與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)；倒折率（X6）與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈顯著負(fù)相關(guān)；穗粒質(zhì)量（X8）與籽粒產(chǎn)量（X12）呈極顯著正相關(guān)，與莖稈含糖錘度（X13）呈極顯著負(fù)相關(guān)；千粒質(zhì)量（X9）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負(fù)相關(guān)；鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）與莖稈出汁率（X14）呈極顯著正相關(guān)；其余性狀之間呈正或負(fù)相關(guān)性但均不顯著。由此可見，這些性狀間存在著正負(fù)、強(qiáng)弱相關(guān)錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系，致使它們提供的相關(guān)信息出現(xiàn)重疊，不易尋求其簡(jiǎn)明的變化規(guī)律，所以須進(jìn)行主成分分析，以便找出影響各個(gè)性狀的主成分。endprint

2.3 主成分分析

利用表2中得到的相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行主成分分析，結(jié)果提取前5個(gè)主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)85.442%，已代表所考查性狀的絕大部分相關(guān)信息。由相關(guān)系數(shù)矩陣的前5個(gè)特征值及相應(yīng)的特征向量計(jì)算所得的主成分載荷矩陣如表3所示。

這些載荷表示該因子對(duì)變量的影響程度，如株高性狀值=0.706f1-0.241f2+0.543f3+0.153f4+0.202f5；莖粗性狀值=0.213f1+0.089f2+0.452f3-0.745f4-0.382f5等。共同度表示所選主成分對(duì)變量方差的貢獻(xiàn)率，其數(shù)值大小表明所選主成分能反映該變量變異信息的多少。因此從表3可以看出，共同度最小的為傾斜率（59.9%），其次是穗長(zhǎng)（696%）、莖稈出汁率（70.6%）、莖稈含糖錘度（77.8%），其余各性狀的共同度均超過80%，表明所選的5個(gè)主成分能較好地反映這些性狀所包含的相關(guān)信息。

基于求得的主成分載荷矩陣（表3）及各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值，按式F=A×Z[其中F 、A 、Z 依次為主成分得分、載荷矩陣參試品種（系）的因子得分值、樣本矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化]計(jì)算各參試品種（系）的主成分得分，結(jié)果見表4。

2.4 聚類分析

根據(jù)所選15個(gè)主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量品質(zhì)性狀，對(duì)15個(gè)區(qū)試品種（系）進(jìn)行聚類。首先利用主成分將15個(gè)性狀在保留它們變異總信息量85.442%的前提下濃縮為5個(gè)主成分，再將所選各性狀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化， 進(jìn)一步利用5個(gè)主成分和各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值計(jì)算供試品種（系）相對(duì)應(yīng)于第1 、第2 、第3、第4、第5 主成分上的得分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)聚類[品種間相似性尺度用閔式（minkowski）距離P表示，P=15，聚類方法用離差平方和表示]，系統(tǒng)聚類結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，15個(gè)品種（系）可以聚為四大類。第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號(hào)、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號(hào)、遼甜15-4；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3；第Ⅳ類包括中科甜5號(hào)、吉甜雜2號(hào)、遼甜15-1。

2.5 判別分析

為了驗(yàn)證上述聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確合理性，基于聚類結(jié)果，以5個(gè)主成分作為判別變量，采用一般判別分析方法，建立判別函數(shù)（表5）。根據(jù)判別函數(shù)，對(duì)參試品種（系）重新判別歸類，判別結(jié)果見表6。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，類別Ⅰ共有7個(gè)品種（系），用判別函數(shù)回代分類，與實(shí)際相符也是7個(gè)品種（系），沒有錯(cuò)分，判別的準(zhǔn)確率為100%；同樣類別Ⅱ、類別Ⅲ、類別Ⅳ判別的準(zhǔn)確率也均為100%。由此可見，上述聚類分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

2.6 不同類型品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的多元方差分析

由表7可以看出，第Ⅰ類7個(gè)品種（系）的平均株高中等，為353.2 cm；莖粗為2.3 cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個(gè)；生育期中等，為132.5 d；倒折率中等，為16.2%；穗粒質(zhì)量最高，為67.7 g；千粒質(zhì)量中等，為27.5 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為 73 636.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最高， 為4 318.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度最低，為16.4%；莖稈出汁率中等，為47.2%；絲黑穗病接種發(fā)病率較低，為7.1%，對(duì)于這類品種（系）應(yīng)重點(diǎn)改良莖稈含糖錘度、鮮質(zhì)量產(chǎn)量等方面，同時(shí)提高抗倒伏性，以滿足市場(chǎng)需求。

第Ⅱ類2個(gè)品種（系）的平均株高中等偏下，為 339.8 cm；莖粗最細(xì)，為2.1 cm；分蘗數(shù)最少，為1.2個(gè)；生育期中等，為133.5 d；倒折率中等偏低，為13.4%；穗粒質(zhì)量中等，為59.2 g；千粒質(zhì)量最高，為31. 5 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為75 916.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等，為3 853.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度最高，為18.6%；莖稈出汁率最低，為46.9%；絲黑穗病接種發(fā)病率最低，為0.4%，屬優(yōu)質(zhì)品種（系）。對(duì)此類品種（系），應(yīng)重點(diǎn)提高產(chǎn)量。

第Ⅲ類3個(gè)品種（系）的平均株高最高，為364.1 cm；莖粗為2.3 cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個(gè)；生育期最長(zhǎng)，為137.8 d；倒折率最低，為13.2%；穗粒質(zhì)量最低，49.5 g；千粒質(zhì)量最低，為23.7g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最高，為83 698.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最低，為3 448.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度較高，為17.4%；莖稈出汁率最高，為50.3%；絲黑穗病接種發(fā)病率中等，為128%，這類品種（系）產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好。

第Ⅳ類3個(gè)品種（系）的平均株高最低，為324.3 cm；莖粗中等，為2.2 cm；分蘗數(shù)最多，為1.5個(gè)；生育期最短，為125.3 d；倒折率最高，為21.2%；穗粒質(zhì)量中等，為58.3 g；千粒質(zhì)量中等偏低，為25.1 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最低，為 70 098.0 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等偏低，為3 612.0 kg/hm2；莖稈含糖錘度中等偏低，為16.9%；莖稈出汁率中等，為470%；絲黑穗病接種發(fā)病率最高，為43.2%，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系），且易倒伏。對(duì)這類品種（系）除著重提高產(chǎn)量外，同時(shí)加強(qiáng)品質(zhì)改良。

3 結(jié)論與討論

本研究對(duì)能源青貯組區(qū)試新品種（系）株高、莖粗、分蘗數(shù)、生育期、傾斜率、倒折率、穗長(zhǎng)、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、育性、鮮質(zhì)量產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、莖稈含糖錘度、莖稈出汁率、絲黑穗病接種發(fā)病率共15個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行研究，經(jīng)主成分分析歸屬于5個(gè)主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)85.442%。主成分分析對(duì)這15個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜關(guān)系的性狀進(jìn)行了有效降維，能夠準(zhǔn)確反映原性狀的主要信息。在此基礎(chǔ)上計(jì)算各品種（系）在主成分上的得分值，據(jù)此進(jìn)行聚類分析，同時(shí)對(duì)聚類結(jié)果進(jìn)行判別分析，驗(yàn)證聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在主成分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析，將15個(gè)區(qū)試甜高粱品種（系）聚為四大類，第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號(hào)、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號(hào)、遼甜15-4，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等偏低，莖稈含糖錘度低，較易倒伏，抗病性較好；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，莖稈含糖錘度和抗病性好，屬中產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種（系）；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量高，莖稈含糖錘度和抗病性較好，屬產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好的品種（系）；第Ⅳ類包括中科甜5號(hào)、吉甜雜2號(hào)、遼甜15-1，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量低，易倒伏，莖稈含糖錘度偏低，絲黑穗病接種發(fā)病率高，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系）。endprint

主成分分析和聚類分析被廣泛用于研究種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系，但由于是通過利用生物學(xué)性狀的途徑進(jìn)行的，而生物學(xué)性狀個(gè)體量綱不一致，因此在利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)，須對(duì)數(shù)據(jù)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再進(jìn)行主成分分析和聚類分析，否則可能得出錯(cuò)誤結(jié)論[15]。

本研究甜高粱生物學(xué)性狀數(shù)據(jù)來源于國(guó)家區(qū)域試驗(yàn)，由于這些性狀不是在同一時(shí)期內(nèi)測(cè)定，并且表型性狀容易受環(huán)境條件的影響而變動(dòng)，因此有其不足之處，可能難以詳細(xì)準(zhǔn)確地闡明品種（系）間的差異。

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