菜心種質(zhì)資源的主成分與聚類分析

史衛(wèi)東，陳振東，農(nóng)貴雄，羅海玲，康紅衛(wèi)，韋愛培

(1.廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，廣西 南寧 530007；2.田陽(yáng)縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，廣西 百色 533600)

菜心(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisVar.utilisTsen et Le)是華南地區(qū)著名特產(chǎn)蔬菜，品種繁多，生產(chǎn)上仍然以常規(guī)種為主。菜心遺傳多樣性水平較低，親緣關(guān)系較近，常用育種方法是系統(tǒng)選育法和雜交法[1-2]，菜心品種在熟性、植株形態(tài)、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面差異明顯[3]，表型鑒定在種質(zhì)資源鑒定中起重要作用。以表型性狀作為形態(tài)學(xué)標(biāo)記進(jìn)行種質(zhì)資源評(píng)價(jià)的方法中，主成分分析能夠在不損失或很少損失原有形態(tài)性狀信息的前提下，將原來的多個(gè)性狀轉(zhuǎn)換為個(gè)數(shù)較少而且不相關(guān)的綜合指標(biāo)作分析，從而簡(jiǎn)化表型性狀的分類工作[4]，減少了聚類分析的誤差，因而在多種蔬菜上得到廣泛應(yīng)用[4-11]。本研究通過主成分分析和聚類分析評(píng)價(jià)菜心表型多樣性，可為種質(zhì)資源鑒定和應(yīng)用提供基本材料和信息。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廣西農(nóng)科院蔬菜研究所收集的17份品種和組配的10份自交和雜交株系，具體見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 2017年11月份分別在廣西青蕓景農(nóng)業(yè)投資有限公司和廣西菜根譜農(nóng)業(yè)科技開發(fā)有限責(zé)任公司直播種植，在廣西隆安縣清水灣農(nóng)業(yè)有限責(zé)任公司育苗移植，每份資源種植面積10 m2，不設(shè)重復(fù)，水肥管理和病蟲害防治措施按照公司的田間管理進(jìn)行。

1.2.2 性狀觀察 在采收期對(duì)每份資源隨機(jī)抽取5株調(diào)查株高、開展度、葉片數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹粗度、主薹重量和單株重等8個(gè)性狀。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理方法 采用Excel 2010和DPS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先，將數(shù)量性狀數(shù)值記入Excel進(jìn)行變異系數(shù)分析。再利用DPS進(jìn)行主成分分析，以歐氏距離為聚類統(tǒng)計(jì)量，采用UPGMA法進(jìn)行聚類分析并形成樹狀圖。

表1 材料來源與名稱

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀比較

由表2可知，不同種質(zhì)資源的表型性狀變異很大，表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性。在觀察的8個(gè)性狀中，平均變異系數(shù)為44.01%，主薹粗度的變異系數(shù)最大，為67.18%，其次為主薹重量、單株重、葉重、幅度、開展度、主薹莖長(zhǎng)、葉數(shù)和株高等，變異系數(shù)越大，表明性狀的變異范圍越大，主薹粗度、主薹重量、葉重和單株重等較大的變異表現(xiàn)出豐富的表型多樣性。8個(gè)性狀間的部分相關(guān)性達(dá)到顯著水平，除了葉重與單株重之間達(dá)到極顯著水平之外(r=0.8518)，株高與幅度(r=0.7271)、株高與主薹莖長(zhǎng)(r=0.7826)、株高與主薹重量(r=0.6929)、幅度與單株重(r=0.6825)、葉數(shù)與葉重(r=0.7616)、葉數(shù)與單株重(r=0.7225)、主薹粗度與主薹重量(r=0.7697)之間達(dá)到顯著相關(guān)水平，其余性狀之間相關(guān)性不顯著。

表2 表型性狀的基本統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

2.2 主成分分析

由表3可知，第1主成分特征值為4.3095，對(duì)總遺傳方差的貢獻(xiàn)率最大，為53.8683%，對(duì)應(yīng)的特征向量包括全部指標(biāo)且數(shù)值較大，依次是單株重、開展度、主薹重量、株高、主薹粗度、主薹莖長(zhǎng)、葉重和葉數(shù)，表明第1主成分主要反映了主薹相關(guān)的性狀，可稱為主薹因子，當(dāng)?shù)?主成分的各向量值高時(shí)，菜心表現(xiàn)為單株較重、植株高大、主薹較高、較粗和較重，葉片數(shù)較少。第2主成分的貢獻(xiàn)率為27.7626%，對(duì)應(yīng)的特征向量中葉數(shù)最大，其次是葉重和單株重，主薹莖長(zhǎng)、主薹重量、主薹粗度和株高均為較大的負(fù)向系數(shù)，表明葉片數(shù)多且重，能夠增加單株重，但株高和主薹性狀受到抑制，可稱為葉片因子，菜心表現(xiàn)為葉數(shù)多、葉片重，單株重，但株高較低、主薹細(xì)小輕短。第3到第8主成分的特征值均小于1，其中第3主成分、第6主成分和第7主成分對(duì)應(yīng)的最大特征向量分別是幅度、主薹莖長(zhǎng)和株高，株高是由主薹高度決定的，可歸為主薹因子。第4主成分對(duì)應(yīng)的最大特征向量是主薹粗度，也歸為主薹因子。第5主成分和第8主成分對(duì)應(yīng)的最大特征向量均是葉數(shù)和葉重，可歸為葉片因子。根據(jù)以上主成分分析結(jié)果，并以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，前2個(gè)主成分因子累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)81.6309%，表明27份種質(zhì)資源的絕大部分信息可由這2個(gè)主成分來表示，即主薹因子和葉片因子。

表3 主成分分析

2.3 聚類分析

利用8個(gè)性狀調(diào)查數(shù)據(jù)，采用歐氏距離和UPGMA方法進(jìn)行聚類分析，在遺傳距離為87處時(shí)可將27份種質(zhì)資源分為三大類，并且主要集中在第1類群，種質(zhì)的遺傳距離較近，表明遺傳基礎(chǔ)狹窄。第1類包括1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、19號(hào)、20號(hào)、22號(hào)、23號(hào)、24號(hào)、25號(hào)和27號(hào)，這18份資源的8個(gè)性狀都具有較低的數(shù)值，表明植株具有株高低、幅度小、葉片多、葉重低、主薹細(xì)短、主薹和單株重量偏低的類型。第2類包括2號(hào)、4號(hào)、13號(hào)、14號(hào)、17號(hào)、21號(hào)和26號(hào)，這7個(gè)資源的株高、幅度、葉數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹粗度、主薹重量和單株重都高于第1類，并且主薹的粗度和重量是3類中最大的，屬于主薹粗大而較重的類型。第3類包括5號(hào)和7號(hào)，這2個(gè)資源的株高、幅度、葉數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)和單株重等具有最高數(shù)值，但主薹粗度和主薹重量高于第1類，低于第2類，屬于植株高大茂盛、單株較重，但主薹較細(xì)短、重量較低的類型。

3 結(jié)論與討論

菜心是以菜薹與葉片兩種營(yíng)養(yǎng)器官為食用部位的葉菜，數(shù)量性狀相對(duì)較少。變異系數(shù)的大小反映的是性狀的變異范圍，即變異系數(shù)越大，性狀的變異范圍越大，本研究利用27份菜心的8個(gè)性狀分析發(fā)現(xiàn)，主薹粗度、主薹重量和葉重及兩者決定的單株重具有較大的變異系數(shù)，主薹莖長(zhǎng)和株高具有較低的變異系數(shù)，并且部分性狀間達(dá)到顯著相關(guān)，表明與粗度和重量相關(guān)的性狀變異可能比與高度相關(guān)的性狀變異更豐富。

圖1 菜心種質(zhì)資源聚類分析圖

主成分分析將原來的多個(gè)性狀轉(zhuǎn)換為個(gè)數(shù)較少而且不相關(guān)的綜合指標(biāo)，簡(jiǎn)化表型性狀的分類工作[4]。本研究的主成分分析表明，27份種質(zhì)資源的絕大部分信息可由主薹因子和葉片因子這2個(gè)主成分來表示。第3、4、6和7主成分也可歸為主薹因子，第5和第8主成分可歸為葉片因子。因此，對(duì)種質(zhì)進(jìn)行分類考慮的指標(biāo)主要為主薹和葉片2個(gè)指標(biāo)，第1主成分值越大越好，表現(xiàn)為主薹增高、增粗和增重，葉片數(shù)量減少和重量降低的種質(zhì)產(chǎn)量較高，是優(yōu)異的種質(zhì)資源，但也要協(xié)調(diào)與葉片生長(zhǎng)量之間的關(guān)系，葉片是提供營(yíng)養(yǎng)的器官，只有整株生物量提高才能達(dá)到更好的效果。

雖然分子標(biāo)記技術(shù)已廣泛應(yīng)用于菜心分子水平的多樣性研究，但表型標(biāo)記作為簡(jiǎn)便常規(guī)的種質(zhì)鑒定和育種方法，可以提供大量的基本信息，很有必要繼續(xù)應(yīng)用，特別是在大量材料的初選過程中。研究表明：41個(gè)菜心商品品種的聚類分析表明，菜心品種在熟性、植株形態(tài)、產(chǎn)量和品質(zhì)等方面差異明顯[3]。本研究利用8個(gè)性狀的聚類分析可將27個(gè)菜心種質(zhì)資源分為三大類，盡管27份種質(zhì)具有品種、自交系和雜種后代的區(qū)別，但仍存在遺傳基礎(chǔ)狹窄的問題。第1類的18份資源屬于株高低、幅度小、葉片多、葉重低、主薹細(xì)短、主薹和單株重量偏低的類型。第2類7個(gè)資源的株高、幅度、葉數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹粗度、主薹重量和單株重都高于第1類，并且主薹的粗度和重量是3類中最大的，屬于主薹粗大而較重的類型。第3類2個(gè)資源雖然在株高、幅度、葉數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)和單株重等具有最高數(shù)值，但主薹粗度和主薹重量偏低，屬于植株高大茂盛、單株較重、但主薹較細(xì)短、重量較低的類型，因此，通過主成分和聚類分析，基本可以初步判定27份種質(zhì)資源的表型多樣性，第2類是比較優(yōu)異的種質(zhì)資源。