基于主成分分析的25份棉花雜種F1代篩選結(jié)果

孔清泉 楊兆光 吳振江 肖遠(yuǎn)龍

摘要：為了對(duì)利用已審定的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種與大鈴或優(yōu)質(zhì)材料雜交配組的25個(gè)雜種F1代材料進(jìn)行分類，并篩選出具有綜合性狀優(yōu)異的棉花新組合或新品系，使用SAS V8軟件對(duì)25個(gè)雜交組合的14個(gè)農(nóng)藝與品質(zhì)性狀（株高、始果枝位節(jié)數(shù)與高度、果枝數(shù)、單株成鈴數(shù)、單鈴重、單鈴殼重、衣分、上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、伸長率和籽棉產(chǎn)量）進(jìn)行主成分分析。分析結(jié)果顯示：這25個(gè)組合產(chǎn)量高，但是馬克隆值偏大。通過主成分分析后篩選出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉組合2個(gè)（為19號(hào)、10號(hào)）。旨在創(chuàng)制出優(yōu)良棉花新材料和新品種。

關(guān)鍵詞：棉花;F1代;主成分分析;篩選

中圖分類號(hào)：S562.035? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2095-3143（2020）03-0027-07

DOI：10.3969/j.issn.2095-3143.2020.03.004

Selection of F1 Generation of 25 Cotton Hybrids Based

on Principal Component Analysis

Kong Qingquan， Yang Zhaoguang， Wu Zhenjiang， Xiao Yuanlong

（Cotton Research Institute of Jiangxi Province.， Jiujiang， Jiangxi 332000， China）

Abstract： In order to classify 25 F1 generation hybrid materials and select new combinations or lines of cotton with excellent comprehensive properties， the project used the approved high yield and high quality cultivars to hybridize with boll or high quality materials. 14 agronomic and quality traits of 25 hybrid combinations were analyzed by SAS V8 software （Plant height， number of primary branches and nodes， height of primary branches， number of fruit branches， boll number per plant， boll weight， single boll shell weight， lint percentage， seed cotton yield per unit area， upper half mean length， uniformity index， breaking tenacity， micronaire， breaking elongation and seed cotton yield）. The analysis results showed that： the yields of the 25 combinations were high， but had higher micronaire. After principal component analysis， we selected 2 combinations of high quality and high yield cotton ： number 19， number 10.

Key words： Cotton;? F1 generation ; Principal components analysis; Selection

0? 引言

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，對(duì)提高我國的國民生產(chǎn)總值具有重要作用[1]。目前，隨著我國人口的快速增長、國家的飛速發(fā)展，我國植棉面積越來越小，對(duì)棉花產(chǎn)物的需求量越來越大，對(duì)棉花纖維品質(zhì)的要求越來越高[2-3]，因此高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉種的培育顯得尤為重要。通過不同途徑創(chuàng)制豐富多樣的棉花種質(zhì)或培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)抗逆的棉花品種，對(duì)棉花科研人員來說是一項(xiàng)艱巨而不斷追求的目標(biāo)。通過利用棉花雜種優(yōu)勢(shì)提高棉花產(chǎn)量，改善纖維品質(zhì)，提高棉花抗逆性，是一條很好的途徑[4-10]。江西省棉花研究所擁有較成熟的棉花雜交育種方法，為棉花重要性狀的轉(zhuǎn)入奠定了基礎(chǔ)。因此江西省棉花研究所育種課題組利用適于長江流域種植的審定品種與多年來培育并搜集保存的具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)或抗蟲的棉花親本或品系材料進(jìn)行雜交配組，對(duì)F1代進(jìn)行主成分分析，以期于篩選出具有某些優(yōu)異特色或綜合表現(xiàn)較好的F1代，創(chuàng)制出優(yōu)良棉花新材料和新品種。

1? 材料和方法

1.1? 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)安排于江西省棉花研究所科研基地，試驗(yàn)材料共計(jì)25個(gè)，編號(hào)為1～25。試驗(yàn)田肥力中等，地面平整，屬冬季作物空閑地。試驗(yàn)方法是隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，三次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2。2018年4月19日播種，雙膜小拱棚營養(yǎng)缽育苗，期間及時(shí)揭膜煉苗。5月25日移栽，一畦雙行，行距0.87 m，株距0.48 m，種植密度2.4萬株/hm2。栽后管理與常規(guī)大田管理一致，并按時(shí)進(jìn)行主要性狀調(diào)查工作。

1.2? 性狀調(diào)查與考種

調(diào)查各材料的農(nóng)藝性狀、纖維品質(zhì)。吐絮期在每小區(qū)選取長勢(shì)均勻一致的的棉花10株， 主要調(diào)查株高、果枝數(shù)、單株成鈴數(shù)、始果枝位節(jié)數(shù)、始果枝位高度。每小區(qū)隨機(jī)采收棉株中部?jī)?nèi)圍正常開裂棉鈴50個(gè)，室內(nèi)進(jìn)行考種測(cè)定單鈴重、單鈴殼重、衣分等;考種后每小區(qū)取皮棉20 g，送交中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（河南安陽），對(duì)棉纖維上半部平均長度、伸長率、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)、馬克隆值五項(xiàng)纖維指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。

1.3? ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

各性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行基本整理。利用SAS V8軟件進(jìn)行各性狀的遺傳變異和主成分分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 主要性狀的遺傳變異分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果的14個(gè)性狀的調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)列于表1，其統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果列于表2。

在表型性狀方面，株高的分布范圍在101.20～126.80 cm，極差是25.60 cm，其中100～110 cm的組合有7個(gè)，110.1～120.0 cm的有10個(gè)，120.1～130.0 cm的有8個(gè)，總平均株高是115.58 cm，變異系數(shù)是6.51%，不同組合的株高整體較適中;始果枝位節(jié)數(shù)的分布范圍在6.90～8.60節(jié)，其中7.1～8.0節(jié)的組合有15個(gè)組合，8.1～9.0節(jié)的有9個(gè)，平均為7.84節(jié)，變異系數(shù)是6.12%;始果枝位高度的分布范圍在25.30～32.70 cm，其中24.0～27.0 cm的組合有5個(gè)，27.1～30.0 cm的有12個(gè)，30.1～33.0 cm的有8個(gè)，平均為28.90 cm，變異系數(shù)是6.80%;果枝數(shù)分布在13.10～17.10個(gè)/株，其中13.0～15.0個(gè)/株的組合有14個(gè)，15.0～17.1個(gè)/株的有10個(gè)，果枝數(shù)最多的組合是25號(hào)（17.10個(gè)/株），其次是21號(hào)（16.40個(gè)/株）、16號(hào)（16.30個(gè)/株），平均值是14.94個(gè)/株，變異系數(shù)是6.63%。從對(duì)4個(gè)表型性狀的分析可知，這25個(gè)組合的表型性狀差異不大。

在產(chǎn)量性狀方面，從數(shù)據(jù)整體分布分析，單株成鈴數(shù)的變異幅度為29.00～49.45個(gè)，其中大部分組合（19個(gè)組合）在34.1～42.0個(gè)，最多的組合是9號(hào)（49.45個(gè)），其次是11號(hào)（44.35個(gè)）、16號(hào)（43.50個(gè)），平均值是38.43個(gè)，變異系數(shù)為11.01%;單鈴重變異幅度為4.52～6.18 g，其中有23個(gè)組合大于5.0 g，最大的組合是8號(hào)（6.18 g），其次是23號(hào)（6.00 g），平均值是5.45 g，變異系數(shù)為7.34%;單鈴殼重變異幅度為1.17～2.48 g，有3個(gè)組合小于2 g，有8個(gè)組合在2.01～2.25 g，10個(gè)組合在2.26～2.50 g，平均為2.18 g，變異系數(shù)為11.47%;衣分的變異幅度為38.82%～45.06%，大部分組合（21個(gè)組合）的衣分大于40%，其中最高的是23號(hào)（45.06%），其次是14號(hào)（45.03%）、15號(hào)（44.31%），平均衣分為41.68%，變異系數(shù)是4.25%;籽棉產(chǎn)量的變異幅度是3370.33～4801.06 kg/hm2，產(chǎn)量大于3750.00 kg/hm2有15個(gè)組合，分別是9號(hào)、11號(hào)、10號(hào)、16號(hào)、18號(hào)、19號(hào)、25號(hào)、4號(hào)、15號(hào)、24號(hào)、17號(hào)、20號(hào)、8號(hào)、23號(hào)、21號(hào)，平均產(chǎn)量是3871.99 kg/hm2，變異系數(shù)是9.16%。一般變異系數(shù)大于10%表示樣本間差異較大[11]。經(jīng)綜合分析各性狀的表現(xiàn)及變異情況，單株結(jié)鈴（11.01%）、單鈴殼重（11.47%）遺傳變異較大，其次是籽棉產(chǎn)量（9.16%），其他性狀的變異系數(shù)在7.34%以下。

從纖維品質(zhì)性狀來看，纖維上半部平均長度變異幅度為27.50～29.90 mm，平均為28.56 mm，變異系數(shù)是2.17%，有23個(gè)組合屬于中絨類型（28.0～30.9 mm）;纖維整齊度指數(shù)變異幅度為84.00%～88.30%，平均為86.04%，變異系數(shù)是1.12%，有7個(gè)組合為較高（83.0%～85.9%）等級(jí)、18個(gè)組合為高等級(jí)（86%以上）;斷裂比強(qiáng)度變異幅度為30.50～38.20 cN/tex，平均為34.67 cN/tex，變異系數(shù)是6.06%，有4個(gè)組合為很強(qiáng)（32.0～33.9 cN/tex），有18個(gè)組合達(dá)到高強(qiáng)等級(jí)（34.0～36.9 cN/tex）[12];馬克隆值變異幅度為5.20～5.90，平均值是5.55，變異系數(shù)是3.78%，這些組合的馬克隆值整體偏大;伸長率變異幅度為6.80%～6.90%，平均值6.85%，變異系數(shù)0.73%。經(jīng)綜合分析這25個(gè)組合的品質(zhì)性狀以斷裂比強(qiáng)度整體較優(yōu)，但纖維上半部平均長度、馬克隆值整體表現(xiàn)差。

2.2? 主成分分析

對(duì)9個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)和5個(gè)品質(zhì)性狀指標(biāo)共14個(gè)性狀的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)其進(jìn)行主成分分析。在所有的主成分中，依據(jù)特征值大于1的原則挑選前5個(gè)主成分進(jìn)行分析，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為73.58%，包含了所有性狀的大部分信息（表3），因此對(duì)這5個(gè)主成分做進(jìn)一步分析。

結(jié)果顯示第一主成分的特征值是3.2656，對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率是23.33%。載荷高且是正值的有伸長率（0.4615）、纖維上半部平均長度（0.4572）、斷裂比強(qiáng)度（0.4281）、整齊度指數(shù)（0.3601），適當(dāng)改善伸長率，會(huì)提高纖維長度和整齊度、增強(qiáng)斷裂比強(qiáng)度，同時(shí)會(huì)降低馬克隆值（-0.0939）。因這5個(gè)性狀可用來衡量棉花纖維品質(zhì)，且載荷大，說明在這一主成分上得分越高纖維品質(zhì)越好。因此將此主成分歸為纖維品質(zhì)因子。

第二主成分的特征值是2.8080，對(duì)應(yīng)的貢獻(xiàn)率是20.06%。載荷高且是正值的有籽棉產(chǎn)量（0.5132），果枝數(shù)（0.4387）、成鈴數(shù)（0.4040）、單鈴重（0.3660），說明在這一主成分上得分越高，籽棉產(chǎn)量越高，單株果枝數(shù)、成鈴數(shù)、單鈴重的數(shù)值越大。因此可以將此主成分歸為產(chǎn)量選擇因子。

第三主成分的特征值是1.7092，貢獻(xiàn)率是12.21%。在這一主成分上載荷高且是正值的有始果枝位高度（0.3463），載荷高但為負(fù)值的是馬克隆值（-0.6568），說明在這一主成分上得分越高的始果枝位高度越高，馬克隆值越小。因此將這一主成分歸為始果枝位高度和馬克隆值的綜合選擇因子。

第四主成分的特征值是1.3929，貢獻(xiàn)率是9.95%。載荷最高且是正值的有單鈴重（0.5023），說明在這一主成分上得分越高單鈴重越大。因此把這一主成分歸為單鈴重選擇因子。

第五主成分的特征值是1.1251，貢獻(xiàn)率是8.04%。載荷高且是正值的有始果枝位高度（0.6147），其次是株高（0.4865），說明在這一主成分上得分越高始果枝位高度越高，株高越高。因此把一主成分歸為始果枝位高度和株高的綜合選擇因子。

為將這25個(gè)雜交組合的F1代進(jìn)行簡(jiǎn)單分類與篩選，用14個(gè)性狀的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)與前5個(gè)特征向量相乘求得前5個(gè)主成分的得分值，再用特征根的平方根除主成分得分，將其化為標(biāo)準(zhǔn)化得分，最后再以每個(gè)主成分的特征值占所提取的所有主成分的特征值總和的比例作為權(quán)重，計(jì)算每個(gè)組合的綜合主成分得分（見表4）。

根據(jù)各個(gè)組合在不同主成分上的得分對(duì)25個(gè)雜交組合進(jìn)行簡(jiǎn)單分類。第一主成分是纖維品質(zhì)選擇因子，挑選出的不同組合在這一主成分上得分超過1的有6份，分別是2號(hào)、3號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、10號(hào)、19號(hào)，這6個(gè)組合代表優(yōu)質(zhì)組合;第二主成分是產(chǎn)量選擇因子，挑選出的得分超過1的組合有3份，分別是9號(hào)、10號(hào)、19號(hào);第三主成分是始果枝位高度、馬克隆值的綜合選擇因子，挑選出的得分超過1的組合有3份，分別是17號(hào)、22號(hào)、25號(hào);第四主成分是單鈴重選擇因子，挑選出的得分超過1的組合有5個(gè)，分別是8號(hào)、11號(hào)、15號(hào)、18號(hào)、24號(hào);第五主成分是始果枝位高度和株高的綜合選擇因子，挑選出的得分超過1的組合有4個(gè)，分別是1號(hào)、2號(hào)、22號(hào)、23號(hào)。

根據(jù)不同組合的綜合得分，≥0.5的組合是19號(hào)、10號(hào)、18號(hào)、22號(hào)。

3? 討論與結(jié)論

通過有針對(duì)性的挑選親本進(jìn)行雜交配組，以期揚(yáng)長補(bǔ)短的培育出豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等綜合性狀優(yōu)異的新組合或新品系。試驗(yàn)結(jié)果顯示，超過一半的組合的籽棉產(chǎn)量在3750.00 kg/hm2以上，但是大部分組合的纖維品質(zhì)并不理想，尤其是馬克隆值和纖維長度。因此為了更好地進(jìn)行目標(biāo)性狀的改良，在實(shí)際操作中可以通過不同雜交手段針對(duì)性改良，如多代回交、聚合雜交等。

主成分分析是利用降維思想，對(duì)多元數(shù)據(jù)的變量數(shù)目進(jìn)行有效減維壓縮，在保持原有大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，把多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為變量較少且變量間相互獨(dú)立的新的綜合指標(biāo)[13]。本研究對(duì)25個(gè)組合的14個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析時(shí)，對(duì)前5個(gè)主成分因子進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在第一主成分上隨著伸長率增大，纖維長度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度會(huì)增大，但是鈴殼重會(huì)增加，衣分會(huì)降低;在第二主成分上隨著籽棉產(chǎn)量增加，單株果枝數(shù)、成鈴數(shù)、單鈴重和株高的數(shù)值會(huì)增大;在第三主成分上隨著始果枝位高度增加，馬克隆值降低，斷裂比強(qiáng)度增加，纖維長度和整齊度緩慢增加;在第四主成分上隨著單鈴重?cái)?shù)值的增大，纖維整齊度增大、始果枝位高度降低;在第五主成分上隨著始果枝位高度數(shù)值增加，株高數(shù)值增大，單株成鈴數(shù)和籽棉產(chǎn)量降低。由此可見棉花株型性狀、產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀之間存在著一定的相關(guān)性，在棉花育種中為獲得豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的棉花新品種，應(yīng)最大程度地協(xié)調(diào)好兩者的關(guān)系，不可一度追求高產(chǎn)而忽略品質(zhì)，也不可過度追求優(yōu)質(zhì)而影響到產(chǎn)量[14]。農(nóng)藝性狀大多是數(shù)量性狀，除了受基因控制，對(duì)環(huán)境影響也較敏感，因此在試驗(yàn)執(zhí)行過程中，為了降低對(duì)最終結(jié)果的影響，要嚴(yán)格控制環(huán)境因素[15]。

本研究通過對(duì)25個(gè)組合F1代材料的14個(gè)性狀進(jìn)行遺傳變異和主成分分析，篩選出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)組合2個(gè)，為19號(hào)、10號(hào)。

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收稿日期：2020-4-22

基金項(xiàng)目：江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（S2018ZPYFE1239）;國家科技重大專項(xiàng)（2016ZX08005001-006）。

作者簡(jiǎn)介：

孔清泉（1990-），女，河南周口人，研究實(shí)習(xí)員，碩士，研究方向?yàn)槊藁ㄐ缕贩N選育，1192746722@qq.com。

通信作者：肖遠(yuǎn)龍（1964-），男，江西九江人，研究方向?yàn)槊藁ㄐ缕贩N選育，595915594@qq.com。