基于投影尋蹤分類法評(píng)價(jià)43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)資源

趙 勇, 趙培方, 趙 俊, 趙麗萍, 昝逢剛, 姚 麗, 劉家勇

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南 開(kāi)遠(yuǎn) 661699)

種質(zhì)資源評(píng)價(jià)是甘蔗雜交育種的重要工作,主要對(duì)工農(nóng)藝性狀進(jìn)行比較，為雜交利用提供參考。我國(guó)甘蔗雜交親本體系的建立主要基于引進(jìn)種質(zhì)資源與國(guó)內(nèi)自主創(chuàng)制相結(jié)合[1]。國(guó)外甘蔗種質(zhì)資源在我國(guó)甘蔗親本體系和雜交育種中占有重要地位[2]，外引親本對(duì)我國(guó)甘蔗品種改良發(fā)揮了重要作用[3-4]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自20世紀(jì)50年代至2009年，我國(guó)利用引進(jìn)種質(zhì)育成的甘蔗品種有163個(gè)[3]。目前對(duì)甘蔗種質(zhì)資源的研究主要集中在兩方面。一是表型評(píng)價(jià)[5-8]，即通過(guò)測(cè)量、比較表型性狀而實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)和分類，是最直觀的評(píng)價(jià)；二是基于分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)遺傳基礎(chǔ)深入解析[9-13]。其中，研究甘蔗表型性狀主要采用綜合分析法[14-16],即通過(guò)比較單項(xiàng)指標(biāo)以及指標(biāo)之間的因果關(guān)系或相關(guān)性而對(duì)樣本加以分析。但不同因子對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響程度(即權(quán)重)主要憑研究者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行評(píng)判,往往受到研究者主觀性的影響[17-18]。

1974年Friedman和Turkey提出了投影尋蹤分類法(projectionpursuit clustering, PPC)[19]。所謂投影，就是從不同角度觀察數(shù)據(jù)，尋找能夠最大程度地反映數(shù)據(jù)特征和最能充分挖掘數(shù)據(jù)信息的最優(yōu)投影方向[20]。其特點(diǎn)是在未知權(quán)重系數(shù)的情況下，通過(guò)把高維數(shù)據(jù)投影到低維(1～3維)子空間上[21]。該方法省去了專家打分評(píng)定的步驟，避免了專家打分的人為干擾，因此更為準(zhǔn)確和便捷，在定量評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的處理上更具優(yōu)勢(shì)。目前該方法已應(yīng)用于水質(zhì)評(píng)價(jià)[22]、環(huán)境質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)[23]、工業(yè)經(jīng)濟(jì)[24]等方面。在農(nóng)作物研究上的應(yīng)用主要集中在作物補(bǔ)償效應(yīng)[25]、水分利用評(píng)價(jià)[26]等，尚未見(jiàn)甘蔗上的應(yīng)用報(bào)道?；诖? 本研究利用投影尋蹤分類法對(duì)引進(jìn)的澳大利亞甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，挖掘優(yōu)異的種質(zhì)資源，以期為我國(guó)甘蔗種質(zhì)創(chuàng)新提供參考，同時(shí)也為甘蔗種質(zhì)資源評(píng)價(jià)探索新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試的澳大利亞雜交種質(zhì)資源共計(jì)43份，其中，Q型40份、KQ型3份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)地與田間種植 試驗(yàn)在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所育種基地進(jìn)行。該試驗(yàn)地為水田，海拔1 051.8 m，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，光照資源充足，年日照時(shí)數(shù)2 382 h，年均氣溫20 ℃，年均降雨量771.1 mm，年潛在蒸發(fā)量1 987 mm，無(wú)霜期341 d左右。2016年12月29日進(jìn)行田間試驗(yàn)(新植)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，行長(zhǎng)4.0 m、行距1.1 m，每個(gè)種質(zhì)、每個(gè)重復(fù)種植2行，每小區(qū)下芽52個(gè)，四周設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)地管理同大田生產(chǎn)相一致。

1.2.2 農(nóng)藝性狀調(diào)查 農(nóng)藝性狀調(diào)查采用分級(jí)方法，主要基于本試驗(yàn)的分級(jí)需要并結(jié)合育種經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定指標(biāo)參數(shù)范圍。2017年10月25日至27日，田間調(diào)查43份種質(zhì)的株高、莖徑、有效莖、葉部病害嚴(yán)重度和總體長(zhǎng)勢(shì)共5個(gè)農(nóng)藝性狀。其中，葉部病害嚴(yán)重度指田間自然發(fā)病的花葉病、銹病、褐條病等葉部病害的綜合反映。之后由3～4名本研究團(tuán)隊(duì)成員組成的分級(jí)小組以觀察到的性狀表現(xiàn)為分級(jí)依據(jù)，對(duì)小區(qū)種質(zhì)群體進(jìn)行整體評(píng)估、討論分級(jí)。每個(gè)性狀指標(biāo)均分為5級(jí)，分級(jí)的數(shù)值范圍見(jiàn)表1。

表1 甘蔗種質(zhì)資源重要農(nóng)藝性狀的分級(jí)Table 1 Classification reference for important agronomic traits of sugarcane germplasm resources

1.2.3 品質(zhì)性狀檢測(cè) 于2017年11月至2018年3月對(duì)43份種質(zhì)進(jìn)行錘度、蔗糖分、蔗汁糖分、簡(jiǎn)純度和纖維分檢測(cè)。各個(gè)種質(zhì)每次隨機(jī)檢測(cè)6條蔗莖(每重復(fù)3條蔗莖)，共檢測(cè)5次。其中，糖分、蔗汁糖分、簡(jiǎn)純度和纖維分檢測(cè)參考Liu et al[27]的方法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013整理數(shù)據(jù)。采用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)各農(nóng)藝性狀分級(jí)數(shù)據(jù)和主要品質(zhì)性狀指標(biāo)進(jìn)行方差分析和基本參數(shù)估計(jì)；采用投影尋蹤分類法對(duì)43份種質(zhì)資源進(jìn)行投影方向和投影值大小分析，并基于投影值的聚類分析對(duì)各種質(zhì)進(jìn)行分類評(píng)價(jià)，以篩選優(yōu)異種質(zhì)。其中，農(nóng)藝性狀指標(biāo)原始分級(jí)數(shù)據(jù)先進(jìn)行倒數(shù)處理，然后再進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要工農(nóng)藝性狀差異分析

2.1.1 農(nóng)藝性狀 方差分析表明,各種質(zhì)農(nóng)藝性狀差異均極顯著(P<0.01)，變異系數(shù)在24.30%～35.21%之間，變異廣泛(表2)。

2.1.2 品質(zhì)性狀 方差分析表明,各種質(zhì)品質(zhì)性狀間均存在極顯著差異(P<0.01)，變異系數(shù)在5.31%～11.99%之間(表3)。除纖維分變異較大外，其他變異較穩(wěn)定。

表2 43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀差異比較1)Table 2 Analysis of variance on main agronomic traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

表3 43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)主要品質(zhì)性狀差異比較1)Table 3 Analysis of variance on main quality traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差異達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

2.2 投影尋蹤分類法評(píng)價(jià)

2.2.1 投影方向分析 根據(jù)投影尋蹤分類法原理，投影方向各分量的大小反映了該指標(biāo)對(duì)甘蔗種質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的影響程度。利用DPS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)43份參試種質(zhì)的主要農(nóng)藝性狀分級(jí)數(shù)據(jù)(倒數(shù))和品質(zhì)性狀(11月— 翌年3月均值)進(jìn)行投影尋蹤分類法分析，得到各性狀的投影方向(圖1)。從圖1可見(jiàn)，葉部病害嚴(yán)重度對(duì)甘蔗綜合指標(biāo)的影響最大，其次為甘蔗總體長(zhǎng)勢(shì)；莖徑、有效莖、株高和蔗糖分的影響相當(dāng)，纖維分和簡(jiǎn)純度等其他品質(zhì)性狀指標(biāo)影響較小。

2.2.2 投影值計(jì)算 確定投影方向后，基于主要工農(nóng)藝性狀的投影尋蹤分析，得到各甘蔗種質(zhì)資源的投影值(圖2)。從圖2可以看出，43份種質(zhì)投影值在0～2之間。其中，Q179最高(1.83)，Q72最低(0.32)，且各種質(zhì)投影值大小差異顯著。

2.2.3 基于聚類分析對(duì)43份種質(zhì)進(jìn)行分類 基于參試種質(zhì)投影值大小，采用系統(tǒng)聚類，以歐氏距離-WPGMA法對(duì)43份種質(zhì)進(jìn)行分類。在0.16～0.32的距離上可把43份種質(zhì)分為5類(圖3)。其中，Ⅰ～Ⅴ類群分別有5、8、14、14、2個(gè)。進(jìn)一步對(duì)各類群投影值進(jìn)行分析表明，第Ⅰ～Ⅴ類群投影均值分別為1.41、1.73、1.02、0.72、0.37，且類群間存在顯著差異(表4)。第Ⅰ～Ⅳ類群投影值變異系數(shù)在2.78%～17.51%之間，第Ⅳ類群變異最大(17.51%)。第Ⅴ類群個(gè)數(shù)太少，故未統(tǒng)計(jì)變異系數(shù)。

2.2.4 判別分析 為了鑒別聚類結(jié)果是否可靠，采用多類逐步判別法對(duì)其進(jìn)行判別(表5)。結(jié)果表明，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ類群判別準(zhǔn)確率均為100.00%，第Ⅲ、Ⅳ類群判別準(zhǔn)確率分別為92.86%、78.57%。根據(jù)判別分析原理可知，判別準(zhǔn)確率越高，表明種質(zhì)被正確分類的機(jī)率越大。從表5可以看出，每個(gè)種質(zhì)被正確分類的概率都較高，平均判別準(zhǔn)確率為90.70%。

圖1 甘蔗主要工農(nóng)藝性狀的投影方向
Figure 1 Projection direction of major sugarcane industrial and agronomic traits

圖2 43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)綜合性狀投影值雷達(dá)圖
Figure 2 Radar map of comprehensive traits projection values on 43 Australian sugarcane germplasm

圖3 基于投影值的43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)聚類分析Figure 3 Cluster analysis of 43 Australian sugarcane germplasm based on projection values

類群個(gè)數(shù)投影值均值最大值最小值變異系數(shù)/%Ⅰ51.411.481.372.78Ⅱ81.731.831.594.81Ⅲ141.021.270.9212.18Ⅳ140.720.830.5217.51Ⅴ20.370.420.32

表5 聚類結(jié)果的判別檢驗(yàn)Table 5 Discriminant test of clustering results

2.3 優(yōu)異種質(zhì)挖掘

從參試種質(zhì)綜合投影值的聚類結(jié)果來(lái)看，第Ⅰ、Ⅱ類群綜合投影值較高，且判別準(zhǔn)確率為100%。根據(jù)投影尋蹤原理，投影值越大，其綜合性狀表現(xiàn)越好，故篩選出13份優(yōu)異種質(zhì)(Ⅰ類群5份，Ⅱ類群8份)。從表6可以看出，13份種質(zhì)蔗糖分分級(jí)在13.89%～16.02%之間；總體長(zhǎng)勢(shì)分級(jí)在1.33～2.33之間；莖徑分級(jí)在2.33～3.00之間；有效莖分級(jí)在1.33～3.00之間；葉片病害分級(jí)在1.67～3.33之間；株高分級(jí)在1.00～2.67之間(3重復(fù)平均值)。綜合來(lái)看,主要工農(nóng)藝性狀總體評(píng)價(jià)較好。

表6 13份優(yōu)良種質(zhì)投影值及原始性狀數(shù)據(jù)1)Table 6 Projection values and original trait data of 13 excellent Australian sugarcane germplasm

1)以上分級(jí)數(shù)據(jù)為3次重復(fù)平均值。

3 討論與結(jié)論

近年來(lái)，我國(guó)不斷引進(jìn)國(guó)外甘蔗種質(zhì)應(yīng)用于育種[28]。因此，客觀評(píng)價(jià)引進(jìn)種質(zhì)對(duì)篩選優(yōu)異種質(zhì)具有現(xiàn)實(shí)意義。蒲光蘭等[29]研究了四川核桃種質(zhì)資源堅(jiān)果的數(shù)量性狀變異及概率分級(jí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)量性狀分級(jí)數(shù)據(jù)1～5級(jí)出現(xiàn)的頻率符合正態(tài)分布；蔡志翔等[30]完善了桃種質(zhì)資源托葉長(zhǎng)度評(píng)價(jià)方法，同時(shí)提出了桃托葉長(zhǎng)度分級(jí)指標(biāo)；Zhao et al[31]將甘蔗總體長(zhǎng)勢(shì)分為9級(jí)應(yīng)用于新品種選育，發(fā)現(xiàn)在育種第一階段總體長(zhǎng)勢(shì)遺傳變異大于錘度，應(yīng)當(dāng)利用總體長(zhǎng)勢(shì)和錘度對(duì)親本進(jìn)行選擇，以優(yōu)化雜交組合。基于上述研究結(jié)果，本研究將重要農(nóng)藝性狀分級(jí)法應(yīng)用于甘蔗種質(zhì)評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)農(nóng)藝性狀分級(jí)數(shù)據(jù)差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，變異廣泛。

對(duì)43份澳大利亞甘蔗種質(zhì)進(jìn)行投影尋蹤分類法分析表明，甘蔗葉部病害、總體長(zhǎng)勢(shì)的投影方向值最大，有效莖、莖徑、蔗糖分、株高等次之；簡(jiǎn)純度和纖維分投影方向較小。根據(jù)投影尋蹤分類法原理，各指標(biāo)對(duì)種質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的影響程度依次為總體長(zhǎng)勢(shì)、有效莖、莖徑、蔗糖分、株高；簡(jiǎn)純度和纖維分影響最低。育種中，葉部病害發(fā)生程度決定了甘蔗材料成為推廣品種的潛力，而總體長(zhǎng)勢(shì)代表了甘蔗品種對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性水平。同時(shí)，選種時(shí)通常給予甘蔗糖分和產(chǎn)量較大的選擇壓力，其他品質(zhì)性狀指標(biāo)選擇壓力相對(duì)較小。投影尋蹤分類法較好地體現(xiàn)了各性狀指標(biāo)的權(quán)重，客觀評(píng)價(jià)了各種質(zhì)資源實(shí)際情況。43份種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀變異系數(shù)在24.30%～35.21%之間，主要品質(zhì)性狀變異系數(shù)在5.51%～11.99%之間，表明主要農(nóng)藝性狀變異較廣、糖分品質(zhì)變異較小。進(jìn)一步說(shuō)明投影尋蹤分類法確定主要農(nóng)藝性狀有較高投影方向的合理性。根據(jù)投影值大小，篩選優(yōu)良種質(zhì)13份(Ⅰ、Ⅱ類群)，占全部種質(zhì)數(shù)的30.23%；中等或以下的種質(zhì)合計(jì)30份，占69.77%。說(shuō)明在數(shù)量眾多的甘蔗品種資源中，表現(xiàn)優(yōu)良的種質(zhì)數(shù)量并不多，因此對(duì)數(shù)量眾多的種質(zhì)資源進(jìn)行客觀和有效的評(píng)價(jià)具有重要的意義。

通過(guò)對(duì)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行分級(jí)和檢測(cè)蔗糖分等品質(zhì)性狀，本研究建立了以甘蔗葉部病害、總體長(zhǎng)勢(shì)、有效莖、莖徑、株高和甘蔗糖分為主要權(quán)重的投影尋蹤分類法以評(píng)價(jià)甘蔗種質(zhì)的方法，篩選了13份主要工農(nóng)藝性狀優(yōu)良(投影值較高)外引種質(zhì)用于雜交育種。投影尋蹤分類法只要合理選擇評(píng)價(jià)指標(biāo),其評(píng)價(jià)結(jié)果符合實(shí)際,往往能達(dá)到預(yù)期效果，同時(shí)有利于提高種質(zhì)精準(zhǔn)評(píng)價(jià)和雜交利用的針對(duì)性。