基于投影尋蹤分類法的甘蔗種質(zhì)綜合評價

武晉宇，應(yīng)雄美，朱建榮，趙俊，劉家勇，吳才文，Ibrahim Soliman Helal ELGAMAL，趙勇

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所，云南 開遠(yuǎn) 661699；2.云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南 開遠(yuǎn) 661699)

目前，世界上甘蔗雜交育種罕有突破，甘蔗蔗糖分和產(chǎn)量改良效果不顯著[1–3]，主要是因?yàn)榉N質(zhì)資源受限，親本遺傳基礎(chǔ)狹窄，育種群體遺傳變異不足[4–5]。經(jīng)過數(shù)代品種改良后，中國仍處于新臺糖22當(dāng)家的局面，蔗糖分提升不顯著，嚴(yán)重制約了蔗糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為改變這一狀況，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所加強(qiáng)了對美國[6]、澳大利亞[7]、泰國[8]、法國[9]、菲律賓[9]等國外種質(zhì)資源的引進(jìn)與利用，以拓寬親本遺傳基礎(chǔ)。目前的研究主要集中在抗逆性評價[10–11]、宿根性評價[12–13]、遺傳多樣性評價[14–15]及工農(nóng)藝性狀評價分析[16–17]等方面。

常見評價甘蔗種質(zhì)的方法主要有主成分分析法[18–19]、模糊綜合評判分析法[20–21]、灰色關(guān)聯(lián)度分析法[22–23]和投影尋蹤分類(projection pursuit clustering, PPC)法[24]。本試驗(yàn)主要參考趙勇等[7]的研究，利用投影尋蹤分類法對從法國和菲律賓引進(jìn)的甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行工農(nóng)藝性狀評價，挖掘優(yōu)異種質(zhì)，以期為中國甘蔗種質(zhì)創(chuàng)新提供參考，同時也為甘蔗種質(zhì)資源評價探索新的方法。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甘蔗種質(zhì)資源共 40份，其中菲律賓種質(zhì)22份(PHIL型6份、VMC–型16份)，法國種質(zhì)18份(FR–型)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

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。基地海拔高度1 051.8 m，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，光照資源充足，年日照時數(shù)2 382 h，年均氣溫20 ℃，年均降水量771.1 mm。2016年12月29日進(jìn)行田間試驗(yàn)(新植)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計。3次重復(fù)。2行區(qū)，行長4.0 m，行距1.1 m。每行下種芽14個，四周設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)地為水田。試驗(yàn)地管理同大田生產(chǎn)。

1.3 工農(nóng)藝性狀指標(biāo)調(diào)查

農(nóng)藝性狀調(diào)查：2017年11月中旬，對40份種質(zhì)開展農(nóng)藝性狀指標(biāo)調(diào)查。采用標(biāo)尺測量株高，采用游標(biāo)卡尺測量莖徑，每個種質(zhì)測量5株。根據(jù)每米實(shí)際成莖數(shù)統(tǒng)計有效莖。各個種質(zhì)隨機(jī)檢測6條蔗莖，測量單莖質(zhì)量，每個重復(fù)2條。

品質(zhì)性狀檢測：2017年11月至2018年3月，參考LIU等[25]的方法檢測40份種質(zhì)的甘蔗錘度、甘蔗蔗糖分、蔗汁蔗糖分、甘蔗簡純度和甘蔗纖維分。每個種質(zhì)每次隨機(jī)檢測6條蔗莖，每個重復(fù)2條。每月每個重復(fù)檢測1次，共檢測5個月。

1.4 數(shù)據(jù)分析

運(yùn)用Excel 2013對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其中，工藝性狀指標(biāo)因數(shù)據(jù)全部為百分?jǐn)?shù)，采用ASIN函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦轉(zhuǎn)化后再進(jìn)行統(tǒng)計分析；采用DPS統(tǒng)計分析軟件對各種質(zhì)工農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行方差分析和基本參數(shù)估計；運(yùn)用投影尋蹤分類法[7]對40份種質(zhì)資源進(jìn)行投影方向和投影值大小分析；基于投影值的聚類分析對各種質(zhì)進(jìn)行分類評價，以篩選優(yōu)異種質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各種質(zhì)主要工農(nóng)藝性狀差異分析

對40份種質(zhì)9個主要工農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行方差分析。結(jié)果(表1)表明，除株高和有效莖外，其他性狀指標(biāo)均存在極顯著差異(P<0.01)，變異系數(shù)介于 5.68%~51.55%，說明各種質(zhì)間差異較大，故需要進(jìn)一步對各種質(zhì)進(jìn)行評價和篩選。

表1 40份甘蔗種質(zhì)的主要工農(nóng)藝性狀Table 1 The main agronomic characters of 40 sugarcane germplasms

2.2 投影尋蹤分類法評價分析

2.2.1 投影方向分析

利用DPS統(tǒng)計分析軟件對40份供試種質(zhì)的主要工農(nóng)藝性狀(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)?；赑PC法原理，各指標(biāo)投影方向的大小實(shí)際上反映了該指標(biāo)對種質(zhì)綜合評價的影響程度。從圖1可見，甘蔗蔗糖分、錘度、蔗汁蔗糖分和簡純度等工藝性狀指標(biāo)投影方向較高，對種質(zhì)綜合評價的影響較大；其后依次為單莖質(zhì)量、莖徑、纖維分；株高和有效莖投影方向較低。

圖1 甘蔗主要工農(nóng)藝性狀的投影方向Fig.1 Projection direction of main agronomic characters of sugarcane

2.2.2 投影值計算

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)。投影值越大，種質(zhì)綜合性狀表現(xiàn)越好。從圖2可以看出，40份甘蔗種質(zhì)投影值介于 0.0~2.5，各種質(zhì)投影值大小差異顯著。

圖2 40份甘蔗種質(zhì)的投影值Fig.2 The projection values on 40 sugarcane germplasm

2.2.3 基于聚類分析對40份種質(zhì)進(jìn)行分類

基于供試種質(zhì)投影值的大小，采用歐氏距離–可變類平法對40份種質(zhì)進(jìn)行聚類分析。結(jié)果(圖3)表明，在1.15~2.31的距離上可把40份種質(zhì)分為5類，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類群分別有種質(zhì)7、8、13、5、7份。

圖3 基于投影值的40份甘蔗種質(zhì)聚類分析結(jié)果Fig.3 The cluster analysis result of 40 sugarcane germplasm based on projection value

進(jìn)一步對各類群投影值進(jìn)行分析，結(jié)果(表2)表明，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類群投影均值分別為1.56、1.26、1.75、2.00、0.60，且類群間存在極顯著差異(P<0.01)。其中第Ⅳ類群投影均值最高，最大為2.13，最小為1.93。5個類群投影值變異系數(shù)為1.66%~37.55%。

表2 類群投影值均值及變異系數(shù)Table 2 The projection mean value and variation coefficient of various groups

2.3 優(yōu)良種質(zhì)的篩選

根據(jù)投影尋蹤原理，投影值越大，其綜合性狀越好。從供試種質(zhì)的綜合投影值的聚類結(jié)果來看，第Ⅳ類群(5份種質(zhì))投影均值最高。從表3可以看出，5份種質(zhì)的甘蔗蔗糖分介于14.90%~16.43%；簡純度介于86.00%~88.50%；莖徑介于2.42~ 2.77；有效莖介于4.88~9.00。

表3 第Ⅳ類群種質(zhì)的工農(nóng)藝性狀Table 3 The main agronomic characters of fine germplasms

3 結(jié)論與討論

近年來，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所加強(qiáng)了對國外甘蔗種質(zhì)的引進(jìn)與評價利用。趙勇等[19]采用農(nóng)藝性狀分級的方法，評價了317份甘蔗種質(zhì)資源，其中包含了從多個國家引進(jìn)的甘蔗種質(zhì)。就外引種質(zhì)的栽培利用現(xiàn)狀來看，引進(jìn)種質(zhì)的性狀、品質(zhì)差異顯著，大多數(shù)種質(zhì)因其表現(xiàn)差未被利用于甘蔗雜交。本研究中，40份從法國和菲律賓引進(jìn)的種質(zhì)，各種質(zhì)綜合性狀差異顯著，9個性狀的均值的變異系數(shù)介于5.68%～51.55%，除株高和有效莖外，其他 7個主要工農(nóng)藝性狀的均值均存在極顯著差異(P<0.01)。蘇火生等[26]對引進(jìn)的18個國外甘蔗種質(zhì)進(jìn)行品比，發(fā)現(xiàn)各品質(zhì)資源的表現(xiàn)也各異。另外，劉家勇等[27]對 68份引進(jìn)甘蔗種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行AFPL分析，發(fā)現(xiàn)大部分種質(zhì)之間親緣關(guān)系相近，遺傳基礎(chǔ)相似，遺傳多樣性并不豐富；因此，加強(qiáng)外國種質(zhì)引進(jìn)，客觀評價外引種質(zhì)，篩選優(yōu)異種質(zhì)并提供雜交利用，對甘蔗育種具有重要意義。

對 40份外引甘蔗種質(zhì)進(jìn)行投影尋蹤分類法分析表明，投影方向以甘蔗蔗糖分最高，其后依次為甘蔗錘度、蔗汁蔗糖分、甘蔗簡純度、單莖質(zhì)量和莖徑等，株高和有效莖的較低。甘蔗蔗糖分是甘蔗品種改良最主要的參考指標(biāo)；因此，確定甘蔗蔗糖分等工藝性狀為最優(yōu)投影方向是合理的。另外，株高和有效莖的投影方向較低，說明了投影尋蹤分類法可較好地體現(xiàn)各性狀指標(biāo)的權(quán)重分配。本試驗(yàn)中，基于投影尋蹤分類法得到了各種質(zhì)的投影值，通過聚類分析篩選了 5份優(yōu)良種質(zhì)(第Ⅳ類群)，其中，法國種質(zhì)2份(FR97–127和FR97–53)，菲律賓種質(zhì) 3 份(VMC95–29、VMC96–169 和 VMC97–30)；且5份種質(zhì)平均甘蔗蔗糖分介于14.90%~16.43%，甘蔗蔗糖分較高，可以作為高糖種質(zhì)進(jìn)行雜交育種利用。

綜合來看，投影尋蹤分類法對 40份引進(jìn)甘蔗種質(zhì)的評價客觀、實(shí)用，可以作為大量甘蔗種質(zhì)資源評價的另一途徑。