基于主成分分析小豆種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀評價與應(yīng)用

葛平珍， 余 娟， 何友勛， 趙 龍， 余 莉， 張時龍

(畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 貴州 畢節(jié) 551700)

0 引言

【研究意義】小豆(Vignaangularis)又名赤豆，屬豆科豇豆屬，其高蛋白、低脂肪、氨基酸種類齊全，為藥食兩用作物。100 g小豆籽粒中平均含有22.4 g蛋白質(zhì)、1.2 g脂肪、58.6 g糖類和4.9 g粗纖維[1-2]；同時，小豆還含有豐富的維生素和礦質(zhì)元素，富含黃酮、多酚、單寧等多種生理活性物質(zhì)[3]。小豆原產(chǎn)我國，在我國已有2 000余年的種植歷史。目前，我國小豆種植面積較大且總產(chǎn)量最多，屬于我國重要的食用豆作物[4-6]。因此，開展小豆性狀評價研究，對于小豆品種選育與引種具有指導(dǎo)意義，對進一步促進小豆生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意義?！厩叭搜芯窟M展】近年來，主成分分析運用于作物種質(zhì)資源的綜合評價較多，在花生、小麥、大豆、紅麻、棉花、蕓豆、小豆、黃麻等作物上均有應(yīng)用[7-14]。劉振興等[14]將主成分與聚類分析應(yīng)用于小豆品種的綜合評價，簡化了小豆優(yōu)劣的綜合評價體系。主成分分析是從構(gòu)成性狀的多因素關(guān)系揭示供試材料的特點，了解其主成分構(gòu)成及特征和生物學(xué)意義，可為材料的客觀評價和品種的引進或選育提供理論參考?！狙芯康那腥朦c】由于貴州省原有小豆品種產(chǎn)量較低，且品質(zhì)一般，限制了小豆在貴州的種植。因此，擬通過對小豆種質(zhì)材料進行性狀分析，篩選適合貴州山地特色的農(nóng)藝性狀較好的小豆種質(zhì)資源?！緮M解決的關(guān)鍵問題】在已有研究基礎(chǔ)上，選用自育或引進的24個小豆種質(zhì)為材料，對小豆的9個農(nóng)藝性狀進行相關(guān)性分析、主成分分析，得到農(nóng)藝性狀的主成分組成，同時利用主成分得分和貢獻率計算綜合主成分得分，從綜合得分評價小豆種質(zhì)的適應(yīng)性，篩選出綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)良好的小豆種質(zhì)資源，旨在為貴州省小豆品種的選育與引進提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2020年4—8月在畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地進行。試驗地地處N 27.1695 °、E 105.2787 °，海拔1 620 m，土質(zhì)黃壤，前作空閑。

1.1.2 小豆品種(系) 供試小豆種質(zhì)材料共24份，供試材料為國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系2019—2021年小豆新品種聯(lián)合鑒定試驗品種(系)，來自國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系綜合試驗站及功能實驗室。供試材料的名稱及2020年單株產(chǎn)量見表1。

表1 供試小豆種質(zhì)材料的名稱、選育單位及單株產(chǎn)量

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 以小豆種質(zhì)材料為處理對象，試驗采用隨機區(qū)組排列，3次重復(fù)。小區(qū)長5 m，寬2.5 m，小區(qū)面積12.5 m2，重復(fù)間走道0.8 m。每小區(qū)種植5行，穴播，行距0.5 m，穴距0.33 m，每穴留苗2株。試驗周圍種植保護行2行，小區(qū)全收記產(chǎn)。

1.2.2 指標測定 生育期：記載播種第2天到70%豆莢成熟時的天數(shù)。株高：收獲時測量從地面到主莖頂端的長度；主莖節(jié)數(shù)：從子葉節(jié)到最頂端展開葉片所在節(jié)的節(jié)數(shù)；主莖分枝：主莖上生長的結(jié)莢分枝數(shù)；單株莢數(shù)：10株樣本結(jié)莢的平均數(shù)。莢長：隨機取10個成熟豆莢，測定平均長度。單莢粒數(shù)：隨機取10個成熟豆莢，計算平均粒數(shù)。百粒重：取100粒稱重，2次重復(fù)，取其平均數(shù)。單株產(chǎn)量：10株樣本籽粒的平均重量。調(diào)查記載與考種事項參照《小豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》中規(guī)定的項目進行。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用SPSS 21.0和DPS等進行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小豆主要性狀的描述性統(tǒng)計分析

從表2看出，不同品種在9個農(nóng)藝性狀上均表現(xiàn)較大差異。變異系數(shù)由大到小依次為株高(23.38%)、單株產(chǎn)量(21.41%)、百粒重(18.01%)、主莖節(jié)數(shù)(17.24%)、主莖分枝(17.01%)、單株莢數(shù)(15.96%)、單莢粒數(shù)(11.15%)、莢長(10.39%)、生育期(1.56%)。說明小豆株高受基因型和環(huán)境影響最大，生育期受基因型和環(huán)境影響最小。

表2 24個小豆品種9個性狀的測量值

2.2 小豆主要農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的相關(guān)性

從表3可知，小豆單株產(chǎn)量與株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝、單株莢數(shù)、莢長、百粒重呈極顯著正相關(guān)。百粒重與單莢粒數(shù)呈顯著負相關(guān)；單株莢數(shù)與株高呈極顯著正相關(guān)，與主莖分枝和主莖節(jié)數(shù)呈顯著正相關(guān)。其余性狀間也存在一定的相關(guān)性，各農(nóng)藝性狀提供的信息發(fā)生重疊，且各指標在農(nóng)藝性狀評價中的作用不盡相同，直接利用這些指標不能對小豆農(nóng)藝性狀進行綜合評價。因此，將多個相互關(guān)聯(lián)的性狀通過降維轉(zhuǎn)換為少數(shù)幾個互相獨立的因子進行分析，使綜合評價更加科學(xué)合理。

表3 小豆各農(nóng)藝性狀間的相關(guān)系數(shù)

2.3 小豆農(nóng)藝性狀的主成分分析

從表 4看出，小豆農(nóng)藝性狀的前4個主成分累計貢獻率為89.43%，能較好反映大部分遺傳差異信息，可用此4個主成分代替上述9個農(nóng)藝性狀評價及篩選小豆品種。第一主成分的特征值為4.30，貢獻率為47.76%。決定第一主成分的主要是株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝、單株產(chǎn)量等性狀，均與小豆生長有關(guān)，可將第一主成分稱為生長因子。其特征向量間關(guān)系表明，小豆植株越高，則主莖分枝越多；主莖分枝和主莖節(jié)數(shù)越多，則小豆單株產(chǎn)量越高。

表4 小豆農(nóng)藝性狀主成分的特征向量和貢獻率

第二主成分的特征值為1.81，貢獻率為20.11%，決定第二主成分的主要是單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒重等與小豆產(chǎn)量有關(guān)的性狀。因此，將第二主成分稱為產(chǎn)量因子。其凝聚的向量關(guān)系表明，小豆生育期短，主莖節(jié)數(shù)少，分枝多，則其單株結(jié)莢越多；單莢粒數(shù)越多，則小豆百粒重越小。

第三主成分的特征值為1.03，貢獻率為11.48%，對該成分影響較大的是生育期、主莖節(jié)數(shù)及莢長，生育期越長，主莖節(jié)數(shù)越多，則小豆莢越長。所以稱第三主成分為莢長因子。

第四主成分的特征值為0.91，貢獻率為10.08%，對該成分影響較大的是生育期、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)。因此將第四主成分稱為生育期因子。向量關(guān)系表明：小豆生育期越長，主莖分枝多，限制植株高度，從而影響小豆單株莢數(shù)的增加；因小豆植株能承載重量有限，當(dāng)小豆單株莢數(shù)越多時，單莢粒數(shù)則相對減少。

2.4 小豆品種(系)綜合評價

根據(jù)生長因子(ZY1)、產(chǎn)量因子(ZY2)、莢長因子(ZY3)和生育期因子(ZY4)4個主成分得分及其貢獻率構(gòu)建小豆農(nóng)藝性狀的綜合主成分評價模型(Y)：Y=0.447 6ZY1+0.201 1ZY2+0.114 8ZY3+0.100 8ZY4，并利用該數(shù)學(xué)模型計算24個小豆種質(zhì)材料的綜合主成分得分。性狀主成分得分可直觀權(quán)衡每個主成分在每個品種中所處的位置及分量，從表5看出，在24個小豆種質(zhì)材料中，生長因子得分排名前5的是編號為N14、N7、N13、N18、N5的小豆種質(zhì)，得分分別為4.18、3.43、2.83、2.44、2.11，此5個材料的植株較高，主莖節(jié)數(shù)和主莖分枝數(shù)較多，單株產(chǎn)量較高。產(chǎn)量因子得分排名前5的是編號為N13、N6、N18、N16、N23小豆種質(zhì)，得分分別為3.21、2.12、1.86、1.33、1.02，此5個種質(zhì)的單株莢數(shù)和單莢粒數(shù)較多，但其百粒重較低；莢長因子得分排名前5的是編號為N23、N5、N19、N10、N2的小豆種質(zhì)，得分分別為2.65、1.60、0.98、0.91、0.90，以上小豆種質(zhì)的生育期較短，主莖節(jié)數(shù)較少，但莢較長；生育期因子得分排名前5的是編號為N15、N5、N2、N18、N7的小豆種質(zhì)，得分分別為2.29、1.23、1.11、0.98、0.87，此種質(zhì)的生育期較長，主莖分枝多，植株較矮，其單株莢數(shù)較少，但單莢粒數(shù)多。

從農(nóng)藝性狀綜合主成分得分看，其分值越高，小豆的綜合農(nóng)藝性狀越好。編號為N14、N13、N7、N18、N5的小豆品種綜合主成分得分排名居前5位，生育期較長，植株較高，主莖節(jié)數(shù)和主莖分枝較多，莢較長，單株莢數(shù)較多、單莢粒數(shù)和百粒重適中，或單株莢數(shù)和單莢粒數(shù)適中、百粒重較高，則小豆品種的單株產(chǎn)量較高。編號為N15、N22、N4、N11、N9的小豆種質(zhì)綜合主成分得分列后5位，表明此5個種質(zhì)的綜合農(nóng)藝性狀較差。

綜上表明，不能只考慮某一性狀或隨機的幾個性狀，而應(yīng)該進行系統(tǒng)科學(xué)的綜合評價。在畢節(jié)海拔1 600 m左右的區(qū)域內(nèi)，蘇小豆1706、THM2011-28、保紅201219-1、渝紅豆4號、0921反-1-4-2-3-1等5個小豆種質(zhì)資源的綜合主成分得分均大于1.0，綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)良好，可引進這些種質(zhì)材料示范推廣應(yīng)用。

3 討論

3.1 小豆種質(zhì)間農(nóng)藝性狀的差異

對24份小豆種質(zhì)資源的生育期、株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝、單株莢數(shù)、莢長、單莢粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量等9項農(nóng)藝性狀進行分析。結(jié)果表明，9項農(nóng)藝性狀間均存在差異，株高的變異系數(shù)較大，為23.38%；單株產(chǎn)量次之，為 21.41%；生育期變異系數(shù)最小。表明在小豆新品種選育過程中株高、單株產(chǎn)量的選育空間較大；生育期的變異系數(shù)小，可選擇空間較窄。

3.2 小豆農(nóng)藝性狀的主成分分析及綜合評價

主成分分析在小麥、玉米、花生等多種作物性狀評價與種質(zhì)資源的綜合評價中廣泛應(yīng)用，劉振興等[14]將主成分與聚類分析應(yīng)用于小豆品種的綜合評價，簡化了小豆優(yōu)劣的綜合評價體系。研究分析了24個小豆種質(zhì)材料的9個農(nóng)藝性狀，利用主成分分析將9個農(nóng)藝性狀綜合成生長因子、產(chǎn)量因子、莢長因子、生育期因子4個獨立因子，此4個因子反映原變量89.43%的信息量，彼此間互不干擾，達到簡化與綜合的目的。根據(jù)生長因子(ZY1)、產(chǎn)量因子(ZY2)、莢長因子(ZY3)和生育期因子(ZY4)的主成分得分及其貢獻率，構(gòu)建小豆農(nóng)藝性狀的綜合主成分評價模型(Y)：Y=0.447 6ZY1+0.201 1ZY2+0.114 8ZY3+0.100 8ZY4，并利用該數(shù)學(xué)模型計算24份小豆種質(zhì)資源的綜合主成分得分。N14、N13、N7、N18和N5小豆種質(zhì)的綜合主成分得分排名居前5位，綜合表現(xiàn)良好，但與各主成分得分的排序存在差異。因此在進行品種選擇時，不能只考慮某一個或某幾個性狀，需進行全面系統(tǒng)科學(xué)的綜合評價。

4 結(jié)論

通過描述性分析、相關(guān)性分析及主成分分析，對24個小豆種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀進行綜合評價，結(jié)果表明，9個農(nóng)藝性狀通過降維綜合成4個主成分，代表全部農(nóng)藝性狀89.43%的信息。蘇小豆1706、THM2011-28、保紅201219-1、渝紅豆4號、0921反-1-4-2-3-1的綜合農(nóng)藝性狀較好，下一步可將此5個種質(zhì)在烏蒙山區(qū)不同海拔高度地區(qū)進行小面積適應(yīng)性試驗，為進一步大面積推廣應(yīng)用提供試驗依據(jù)；同時可將此5個種質(zhì)作為小豆育種的基礎(chǔ)材料，以拓寬烏蒙山區(qū)小豆育種的種質(zhì)選擇。