基于因子分析的抗根腫病油菜品種（系）綜合評(píng)價(jià)
——以荊門市掇刀區(qū)根腫病發(fā)病區(qū)為例

侯曉靜，龍永紅，龍飛，王瑾，許強(qiáng)*

（1.荊門（中國(guó)農(nóng)谷）農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，湖北 荊門，448000；2.荊門農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，湖北 荊門，448000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院，湖北 武漢，430070）

十字花科根腫病是由蕓薹根腫菌（Plasmodiophora brassicaeWoron）引起的土傳病害，病菌能夠侵染和危害十字花科植物根部[1]，是一種在全球范圍內(nèi)極具危害的植物病害之一[2]，包括中國(guó)在內(nèi)的60 多個(gè)國(guó)家均有發(fā)生[3]。我國(guó)根腫病分布區(qū)域較廣[4]，油菜根腫病主要分布在四川、云南、安徽、湖北等地[5]。一旦受到感染，油菜作物籽粒產(chǎn)量和含油量均會(huì)顯著下降[2]。生產(chǎn)應(yīng)用中，根腫病較為常見的防治措施有農(nóng)業(yè)綜合防治，生物、化學(xué)農(nóng)藥防治，培育抗病品種等[6～8]。但由于根腫菌對(duì)環(huán)境抵抗力強(qiáng)、存活時(shí)間長(zhǎng)，普通防治措施成本高且無法徹底解決該病的危害[9]。因此，抗病品種培育是防治根腫病最經(jīng)濟(jì)、最有效的途徑[10～12]。目前，加拿大在油菜抗根腫病育種方面開展了相關(guān)工作，成功培育出了油菜抗病新品種。我國(guó)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張椿雨教授團(tuán)隊(duì)利用含多個(gè)抗病位點(diǎn)的蕪菁ECD04 和抗病大白菜CR Shinki 為父本分別與優(yōu)良甘藍(lán)型油菜常規(guī)品種華雙5 號(hào)和波里馬恢復(fù)系丙409 進(jìn)行雜交，成功培育了我國(guó)首批抗根腫病甘藍(lán)型油菜常規(guī)新品系華雙5R和華油雜62R。

由于蕓薹根腫菌致病力強(qiáng)，且致病型生理小種分化形成多種復(fù)雜的群體結(jié)構(gòu)，同一抗病品種對(duì)不同的生理小種可能具有不同的抗性反應(yīng)，導(dǎo)致抗病品種在實(shí)際生產(chǎn)中的抗性表現(xiàn)及其生產(chǎn)性能表現(xiàn)存在較大的不確定性。因此，綜合評(píng)價(jià)不同油菜抗根腫病材料在實(shí)際生產(chǎn)中的表現(xiàn)尤為重要。因子分析法是一種用來研究存在于同一系統(tǒng)中多個(gè)可觀測(cè)變量之間相互關(guān)系的多元統(tǒng)計(jì)分析方法，基本目的是用少數(shù)幾個(gè)因子描述多個(gè)指標(biāo)或因素之間的聯(lián)系[13]。由于其在作物多性狀分析及評(píng)價(jià)領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，目前在作物遺傳育種及種質(zhì)資源評(píng)價(jià)中已有較多應(yīng)用，主要用于分析作物品種多個(gè)數(shù)量性狀復(fù)雜的相互關(guān)系[14,15]。本研究嘗試采用因子分析法，對(duì)在荊門市根腫病重度發(fā)病田塊種植的16個(gè)抗根腫病品種（系）進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)和種植效益分析，通過與抗根腫病品種華雙5R和華油雜62R進(jìn)行比較及綜合評(píng)價(jià)，篩選出抗根腫病新品系18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02，以期為抗病品種在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供理論參考，同時(shí)為我國(guó)油菜抗根腫病育種工作提供寶貴資源。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的16個(gè)油菜品種（系），系華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張椿雨教授團(tuán)隊(duì)培育的具有抗根腫病特性的新型甘藍(lán)型油菜，均由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家油菜工程技術(shù)中心提供，其中華雙5R和華油雜62R為對(duì)照品種。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018-2019年在荊門市掇刀區(qū)團(tuán)林鋪鎮(zhèn)馬廟村進(jìn)行，前茬作物為水稻，由于根腫病發(fā)病嚴(yán)重，試驗(yàn)田塊已連續(xù)三年未種植油菜。田塊致病菌生理小種經(jīng)Williams 鑒別系統(tǒng)鑒定為4 號(hào)小種（由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家油菜工程技術(shù)中心鑒定）。

試驗(yàn)共設(shè)16 個(gè)處理，每個(gè)處理3 次重復(fù)，采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，小區(qū)大小為4 m × 3 m，面積12 m2。油菜播種量均為4.5 kg/hm2，人工條播，行距0.3 m，株距0.15 m，定苗后每小區(qū)基本苗均為260株左右。所有小區(qū)施肥、灌水等田間管理措施一致。

1.3 樣品分析與調(diào)查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.3.1 樣品分析 油菜成熟后，通過對(duì)小區(qū)進(jìn)行單收單打測(cè)定菜籽產(chǎn)量；油菜籽含油量、硫苷（硫代葡萄糖苷）含量采用近紅外檢測(cè)技術(shù)測(cè)定。

1.3.2 調(diào)查分級(jí)標(biāo)準(zhǔn) 根腫病調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)采用0～4級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如下：0為根部無?。?級(jí)為須根末梢上有少量且較小根瘤；2 級(jí)為側(cè)根上有根瘤出現(xiàn)；3 級(jí)為須根及側(cè)根根瘤大且主根末梢有小的根瘤；4 級(jí)為主根全部腫大，根上根腫部分開始龜裂腐爛、植株出現(xiàn)萎焉癥狀或已死亡。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS22.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行因子分析。

1.4.1 因子分析 （1）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：為使所有結(jié)果量綱一致，因子分析前，采用隸屬函數(shù)法對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行均衡歸一化（標(biāo)準(zhǔn)化）處理。其中正相關(guān)指標(biāo)（產(chǎn)量、含油量）依據(jù)公式（1）計(jì)算；負(fù)相關(guān)指標(biāo)（硫苷含量、發(fā)病率、病情指數(shù)）依據(jù)公式（2）計(jì)算。

式中，Xin和X'n分別指第n個(gè)品種中第i項(xiàng)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)的隸屬函數(shù)值；Uin為第n個(gè)品種第i項(xiàng)指標(biāo)的原始測(cè)定結(jié)果；Uimin和Uimax分別指樣品組中第i 項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。

（2）主成分分析：數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析，根據(jù)主分量累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%的原則，確定主成分（公因子）個(gè)數(shù)，得出主成分的分值Fjn；依據(jù)公式（3），將各公因子的特征值貢獻(xiàn)率作為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，可得出不同抗根腫病油菜品種評(píng)價(jià)綜合得分。

式中，Dn是主成分分析法所得各品種指標(biāo)的綜合得分；Fjn為第n個(gè)樣品第j個(gè)特征值大于1 的主成分得分；m為特征根大于1的主成分個(gè)數(shù)；Ej為第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

1.4.2 病情指數(shù)計(jì)算及抗性類型劃分 發(fā)病率及病情指數(shù)分別依據(jù)公式（4）和（5）計(jì)算。

抗性類型依據(jù)病情指數(shù)（ID）劃分[2]：ID 為0（免疫）；0＜ID≤5，高抗（HR）；5＜ID≤15，抗?。≧）；15＜ID≤30，中抗（MR）；30＜ID≤50，感病（S）；ID＞50，高感（HS）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同抗根腫病油菜品種（系）田間抗性表現(xiàn)及品質(zhì)指標(biāo)結(jié)果

2.1.1 不同油菜品種（系）田間抗性表現(xiàn) 由表1

表1 不同油菜品種（系）抗病性鑒定結(jié)果Table 1 Identification results of disease resistance of different rapeseed lines

可以看出，不同抗根腫病油菜品種（系）中，表現(xiàn)高抗、抗病、中抗、感病和高感的分別有5、2、3、3、3個(gè)，分別占供試材料的31.25%、12.5%、18.75%、18.75%、18.75%，病情指數(shù)分別為0.26～3.55、11.49～11.79、22.48～29.41、36.16～46.59、70.27～86.91。

2.1.2 不同油菜品種（系）抗病性及品質(zhì)指標(biāo)變異程度 從變異程度來看，發(fā)病率和病情指數(shù)變異系數(shù)較大，均接近100%，說明同一區(qū)域不同油菜品種（系）間抗病性存在較大差異；含油量變異程度較小，低于10%（表2），說明不同品種（系）間含油量差異不顯著。

表2 不同油菜品種（系）品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果Table 2 Determination results of quality indexes of different rapeseed lines

2.1.3 不同油菜品種（系）抗病性及性狀指標(biāo)分析 根據(jù)表3 可知，不同品種（系）間抗病性差異顯著，高抗品系18 苗331、18 苗336、18 苗337、SHR01以及華雙5R 的抗病性顯著高于其他材料（P＜0.05）。不同品種（系）菜籽產(chǎn)量差異顯著，且與抗病性呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，高抗品種（系）華雙5R、18 苗331、18 苗336 產(chǎn)量顯著低于中抗品系18ZP05（P＜0.05）；高感品系18 苗335、18 苗338 和華919 菜籽產(chǎn)量嚴(yán)重下降且顯著低于其他材料（P＜0.05）。

表3 不同油菜品種（系）抗性及性狀指標(biāo)分析Table 3 Analysis of resistance and character index of different rapeseed lines

2.2 不同抗根腫油菜品種（系）的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 KMO 檢驗(yàn)和巴特利球度檢驗(yàn) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行KMO檢驗(yàn)和巴特利球度檢驗(yàn)，由檢驗(yàn)結(jié)果可知（表4），KMO 統(tǒng)計(jì)值為0.619，大于0.5，巴特利球形檢驗(yàn)的卡方統(tǒng)計(jì)值為94.005（P＜0.001），兩項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的檢驗(yàn)結(jié)果表明本研究適合進(jìn)行因子分析。

表4 KMO檢驗(yàn)和巴特利球度檢驗(yàn)結(jié)果Table 4 KMO test and Bartley sphericity test results

2.2.2 主成分的確定及旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣分析由表5 可知，2 個(gè)公因子（F1、F2）對(duì)樣本方差的累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.637%，具有充分的代表性，表明可以用這2 個(gè)公因子代表原來5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子，對(duì)16個(gè)抗病油菜品種（系）品質(zhì)進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

表5 16個(gè)油菜品種（系）的旋轉(zhuǎn)因子載荷矩陣分析Table 5 Analysis of rotation factor loading matrix of 16 rapeseed lines

可以看出，第1 主成分（F1）貢獻(xiàn)率達(dá)56.685%，具有較高載荷的指標(biāo)有病情指數(shù)、發(fā)病率、產(chǎn)量。發(fā)病率和病情指數(shù)是作物抗病性能最直觀的體現(xiàn)，也是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵性因子。產(chǎn)量和抗病性能的高低影響作物的經(jīng)濟(jì)效益。因此將第1主成分命名為經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因子。第2 主成分（F2）貢獻(xiàn)率為29.951%，其中硫苷含量和含油量貢獻(xiàn)較高。硫苷與含油量是油菜重要的品質(zhì)性狀，低硫苷含量與高含油量已成為油菜育種與生產(chǎn)的目標(biāo)之一[16]。因此將第2主成分命名為品質(zhì)指標(biāo)因子。

2.2.3 不同油菜品種（系）各因子得分及綜合評(píng)價(jià) 利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算主成分各因子的得分，并且根據(jù)式（3）計(jì)算各品種綜合得分，具體結(jié)果見表6?？梢钥闯?，在本試驗(yàn)中，綜合得分排名靠前的品種（系）依次為18ZP01、18ZP05、18 苗337、18 苗336、SHR02。其中，18ZP01 和18ZP05 在品質(zhì)指標(biāo)因子中排名前二，說明其在高含油量和低硫苷含量上具有較高優(yōu)勢(shì)。18 苗337、18 苗336 和SHR02 在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因子中排名分別為第1、3和5，說明其在根腫病病區(qū)豐產(chǎn)性表現(xiàn)較好。

表6 16個(gè)油菜品種（系）各主成分因子得分及綜合得分與排名Table 6 Principal component and comprehensive scores and orders of 16 rapeseed lines

不同抗病品系在2個(gè)公因子上的得分排序也各不相同。以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)因子（F1）排序，18 苗337、SHR01、18苗336、18苗331、SHR02排名靠前。以品質(zhì)指標(biāo)因子（F2）排序，18ZP05、18ZP01、SHR06、18ZP02、華919排名靠前。

2.3 不同油菜品種（系）綜合評(píng)價(jià)的檢驗(yàn)

種植效益的高低在一定程度上反映了農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的高低，可以間接反映抗病品種的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因此，本研究參考當(dāng)?shù)?020年度菜籽收購(gòu)價(jià)格行情（表7），計(jì)算不同品種（系）油菜籽收益，以效益來檢驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表7 荊門市2020年油菜籽收購(gòu)價(jià)格Table 7 Rapeseed purchasing price in 2020 of Jingmen City

由圖1 可以看出，綜合得分排名靠前的18ZP01、18ZP05、18苗337、18苗336和SHR02，其種植效益也較高，排名分別為第4、1、3、6 和5。其中，華油雜62R 雖然綜合得分中等，但由于其較為穩(wěn)定的豐產(chǎn)性，因此效益排名較綜合得分有一定程度上升。種植收益排名靠后的品種（系）為華雙5R、SHR07、18 苗335、18 苗338 以及華919。效益趨勢(shì)與因子分析綜合得分趨勢(shì)基本吻合，說明因子分析的結(jié)果與客觀實(shí)際接近，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠有效。

圖1 不同油菜品種（系）種植效益比較Fig.1 Comparison of planting benefits with different rapeseed lines

3 討論

3.1 因子分析與綜合評(píng)價(jià)

對(duì)16個(gè)油菜品種（系）的田間抗病性、產(chǎn)量和品質(zhì)等農(nóng)藝性狀的調(diào)查和測(cè)定結(jié)果顯示，油菜各品種（系）間抗病性與田間農(nóng)藝性狀存在不同程度的相關(guān)性和相對(duì)獨(dú)立性，采用單一或者幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)往往具有片面性及不確定性。因此，提取公因子對(duì)所有供試材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)十分必要。目前，此法已在蘋果[17]、甘薯[18]、大蒜[19]等多種種質(zhì)資源評(píng)價(jià)方面得到了廣泛應(yīng)用。

本研究通過因子分析，將反映16 個(gè)油菜品種（系）較為重要的抗病性及農(nóng)藝性狀指標(biāo)簡(jiǎn)化為2個(gè)公因子，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)86.637%，由此可見2 個(gè)公因子既能反映原始數(shù)據(jù)的絕大多數(shù)信息，又剔除了重復(fù)的部分，更有利于全面把握各個(gè)品種的綜合指標(biāo)性狀，排名結(jié)果更為客觀合理。此外，通過對(duì)各油菜品種（系）菜籽收益進(jìn)行分析，進(jìn)一步驗(yàn)證了綜合評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 不同油菜品種（系）的抗性及田間表現(xiàn)差異

十字花科作物根腫病抗性的鑒定較為常見的方法有人工接種鑒定和田間鑒定。其中，田間鑒定在作物自然生長(zhǎng)條件下進(jìn)行，鑒定結(jié)果更能反映品種田間抗性表現(xiàn)[20]。從本研究來看，華雙5R 與華油雜62R 作為國(guó)內(nèi)率先培育出的抗根腫病油菜品種，田間抗性表現(xiàn)優(yōu)越，這與王曉娥[21]、李倩[22]研究結(jié)果一致。值得注意的是，從本團(tuán)隊(duì)2018-2019 年試驗(yàn)情況來看，華雙5R抗性雖然顯著高于試驗(yàn)中絕大多數(shù)品種（系），但與同抗性水平或較低抗性水平品種（系）相比，其豐產(chǎn)性還有待進(jìn)一步提升。這或許是由于油菜對(duì)根腫病有一定的抵御和恢復(fù)能力，根瘤周圍會(huì)萌發(fā)出新的須根促進(jìn)油菜恢復(fù)性生長(zhǎng)[8,23]。因此，一些前期表現(xiàn)為抗病或中抗的品種（系），后期發(fā)生恢復(fù)性生長(zhǎng)情況，產(chǎn)量也隨之增加。楊玉珠等研究表明，油菜不同生育期根腫病發(fā)生程度不同，其中薹期最為嚴(yán)重，成熟期發(fā)病率和病情指數(shù)均有所下降[24]。結(jié)合本研究結(jié)果，在根腫菌侵染較為輕微區(qū)域，探索油菜種植良好的栽培管理措施，如在油菜蕾薹期增施肥料，后期保證水分供應(yīng)，促進(jìn)油菜根腫周圍新須根的生長(zhǎng)[8]，可以有效減輕根腫病帶來的危害。

本試驗(yàn)開展區(qū)域?yàn)楦[病重發(fā)區(qū)，從結(jié)果來看，18苗335、18苗338和華919抗性為高感類型，其發(fā)病率較高，菜籽產(chǎn)量及種植效益均受到嚴(yán)重影響，說明不適宜進(jìn)行大面積推廣應(yīng)用。結(jié)合綜合評(píng)價(jià)及種植效益，具有較高推廣應(yīng)用價(jià)值的品種（系）為18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02。 其中18ZP05、18ZP01 和SHR02 的根腫病發(fā)病率和病情指數(shù)低于華油雜62R，18 苗337 的抗性表現(xiàn)更好，其發(fā)病率和病情指數(shù)顯著低于華雙5R 和華油雜62R。同時(shí)，這些品種（系）均在根腫病重發(fā)區(qū)仍保持了較高的油菜籽產(chǎn)量，品質(zhì)也相對(duì)較好。種植效益均高于華雙5R，其中18ZP05 的種植效益要優(yōu)于華油雜62R。但由于根腫菌自身具有致病性分化的特征，即使是同一品種（系）在不同地區(qū)其抗感表現(xiàn)也會(huì)不同[21]。因此，若在其他病區(qū)引種，建議先小范圍試種，待確定其抗性表現(xiàn)后再考慮大面積推廣。

4 結(jié)論

本研究對(duì)16 個(gè)抗根腫病油菜品種（系）的5 個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行了分析，共提取出2 個(gè)特征值大于1的公因子，分別是發(fā)病率、病情指數(shù)和產(chǎn)量組成的公因子1（F1），含油量和硫苷含量組成的公因子2（F2），兩個(gè)公因子的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為86.637%。經(jīng)綜合評(píng)價(jià)分析根腫病抗性和農(nóng)藝指標(biāo)表現(xiàn)，篩選得到18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02 4 個(gè)材料在根腫病抗性及綜合種植效益表現(xiàn)優(yōu)異，可考慮在當(dāng)?shù)馗[病發(fā)病區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的種植推廣。本研究的開展，可為抗病品種在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用提供參考，也為我國(guó)油菜抗根腫病育種提供了寶貴的資源。