46份棉花雜交組合主要性狀主成分和聚類分析

張華崇， 閆振華， 趙樹琪， 黃曉莉， 戴寶生， 李 蔚

(黃岡市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 湖北 黃岡 438000)

principal component analysis; cluster analysis

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)重要的地位。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的數(shù)據(jù)顯，1978年全國(guó)棉花產(chǎn)量?jī)H有217萬t，2019年全國(guó)棉花產(chǎn)量達(dá)到588.9萬t，增加了2倍多，單位面積產(chǎn)量也有較大幅度的提高。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，對(duì)棉花品種的產(chǎn)量和纖維質(zhì)量要求越來越高，但高產(chǎn)仍是棉花育種的首要目標(biāo)，因?yàn)楫a(chǎn)量是植棉效益的基礎(chǔ)[1]。棉花產(chǎn)量是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，是若干性狀相互作用的結(jié)果，這些性狀大多屬于數(shù)量性狀，它們之間又存在不同程度的相關(guān)性[2]。

相關(guān)性分析和主成分分析在棉花中廣泛應(yīng)用于數(shù)量性狀分析中[3-6]。主成分分析法可將研究對(duì)象從原來眾多具有相關(guān)性的指標(biāo)，綜合為少數(shù)幾個(gè)主成分，從而達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。在水稻[7]、小麥[8]、玉米[9]和大豆[10]等作物農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)中也有報(bào)道。

由于雜交棉在提高產(chǎn)量和改善品質(zhì)方面具有突出表現(xiàn)，在棉花生產(chǎn)推廣中有一定的優(yōu)勢(shì)[11]。本研究以46份棉花雜交組合為材料，進(jìn)行主要農(nóng)藝性狀的主成分分析與聚類分析，評(píng)價(jià)各性狀對(duì)產(chǎn)量和纖維品質(zhì)的作用大小，以期篩選出綜合性狀較好的新組合，創(chuàng)制出優(yōu)良的新材料或新品種。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料來源詳見表1。

表1 雜交組合的來源Table 1 Sources of hybrid combinations

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在黃岡市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技范園，隨機(jī)排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2，密度為1 800株/667 m2，試驗(yàn)期間各個(gè)處理與常規(guī)大田管理一致，每小區(qū)定點(diǎn)10株有代表性、連續(xù)的植株，9月15日調(diào)查第一果枝節(jié)位、株高、單株果枝數(shù)及單株鈴數(shù)，取中部吐絮正常鈴進(jìn)行室內(nèi)考種，測(cè)定單鈴重及衣分，籽棉產(chǎn)量以小區(qū)實(shí)收計(jì)產(chǎn)，并計(jì)算皮棉產(chǎn)量。

取纖維樣品20 g寄送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(安陽(yáng))進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定指標(biāo)主要包括上半部平均長(zhǎng)度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值和伸長(zhǎng)率。

試驗(yàn)研究的性狀為：生育期(X1)、株高(X2)、果枝數(shù)(X3)、單株鈴數(shù)(X4)、第一果枝節(jié)位(X5)、單鈴重(X6)、子指(X7)、衣分(X8)、皮棉產(chǎn)量(X9)、上半部平均長(zhǎng)度(X10)、整齊度指數(shù)(X11)、斷裂比強(qiáng)度(X12)、馬克隆值(X13)和伸長(zhǎng)率(X14)。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

采用DPS 7.5和SAS V 8軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 46份棉花雜交組合主要性狀遺傳多樣性分析

對(duì)46份棉花雜交組合14個(gè)主要農(nóng)藝性狀分析結(jié)果(表2)表明，研究群體主要性狀的變異系數(shù)在0.8%～13.0%之間，依次為第一果枝節(jié)位>單株鈴數(shù)>皮棉>子指>斷裂比強(qiáng)度>單鈴重>株高>衣分>馬克隆值>果枝數(shù)>上半部平均長(zhǎng)度>生育期>整齊度指數(shù)>伸長(zhǎng)率。變異系數(shù)越大，反映了性狀差異越大，與環(huán)境互作越明顯，選擇的范圍也越大。本研究表明，46份材料在第一果枝節(jié)位、單株鈴數(shù)和皮棉變異系數(shù)較大，均大于10%，受環(huán)境影響較大，有較大的改良空間，可進(jìn)一步挖掘其潛力，其余性狀受遺傳因素影響較大，具有一定穩(wěn)定性。

2.2 46份棉花雜交組合主要性狀相關(guān)性分析

對(duì)46份棉花雜交組合主要性狀相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表3)，有15對(duì)性狀達(dá)到顯著相關(guān)水平(p<0.05)，27對(duì)性狀達(dá)到極顯著相關(guān)水平(p<0.01)。皮棉產(chǎn)量與各主要性狀相關(guān)系數(shù)大小依次為衣分、單株鈴數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、子指、上半部平均長(zhǎng)度、株高、第一果枝節(jié)位、果枝數(shù)、生育期、伸長(zhǎng)率、整齊度指數(shù)、馬克隆值和單鈴重。其中，皮棉產(chǎn)量與衣分(r=0.703)、單株鈴數(shù)(r=0.697)、株高(r=0.354)、第一果枝節(jié)位(r=0.350)、果枝數(shù)(r=0.334)和生育期(r=0.330)呈顯著正相關(guān)；與子指(r=-0.456)和上半部平均長(zhǎng)度(r=-0.358)呈顯著負(fù)相關(guān)，這表明皮棉產(chǎn)量與衣分、單株鈴數(shù)、子指、株高、第一果枝節(jié)位、果枝數(shù)和生育期關(guān)系密切，衣分高、鈴多、株高高、第一果枝節(jié)位高、果枝數(shù)多和生育期長(zhǎng)，子指低、上半部平均長(zhǎng)度短的材料易獲得高產(chǎn)。

表3 46份棉花雜交組合主要性狀變異相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of main traits of 46 cotton hybrid combinations

具體到產(chǎn)量因子、纖維品質(zhì)以及兩者之間，相關(guān)性表現(xiàn)不一。在產(chǎn)量因子中，單鈴重與單株鈴數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與衣分也呈顯著負(fù)相關(guān)。偏相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)(表4)，皮棉產(chǎn)量構(gòu)成各因素與產(chǎn)量間均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)程度大小依次為單鈴重、衣分、單株鈴數(shù)，且各因素間均表現(xiàn)負(fù)相關(guān)，進(jìn)一步印證了產(chǎn)量構(gòu)成因素間互相制約。在纖維品質(zhì)中，上半部平均長(zhǎng)度與整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)；斷裂比強(qiáng)度與整齊度指數(shù)和伸長(zhǎng)率呈顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)，這說明纖維品質(zhì)構(gòu)成因素間也存在相互制約的關(guān)系。在產(chǎn)量因子與纖維品質(zhì)中，單株鈴數(shù)與斷裂比強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率顯著負(fù)相關(guān)，衣分與上半部平均長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)率顯著負(fù)相關(guān)，皮棉產(chǎn)量與上半部平均長(zhǎng)度量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明產(chǎn)量與品質(zhì)間也存在相互制約關(guān)系?？傊?，棉花14個(gè)主要農(nóng)藝性狀間相互作用，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。

表4 46份棉花雜交組合產(chǎn)量因素偏相關(guān)性分析Table 4 Partial correlation analysis of yield factors of 46 cotton hybrid combinations

2.3 46份棉花雜交組合主要性狀主成分分析

對(duì)46份棉花雜交組合的14個(gè)主要農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析，依據(jù)特征值大于1原則，選取前4個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)74.11%，能基本反映全部特征。

由表5可知，第一主成分的特征值為5.117 3，貢獻(xiàn)率為36.55%，分析的14個(gè)因素中斷裂比強(qiáng)度和上半部平均長(zhǎng)度特征向量值最大，可以稱為品質(zhì)因子，而衣分和皮棉產(chǎn)量有較大的負(fù)向量，說明纖維品質(zhì)好的材料衣分和產(chǎn)量較低。由表6可知，第一主成分得分越高的材料，其纖維品質(zhì)較好，而皮棉產(chǎn)量較低，代表組合為2、66、26、29號(hào)和33號(hào)。

表5 46份棉花雜交組合主成分特征向量Table 5 Principal component eigenvector of 46 cotton hybrids combinations

第二主成分的特征值為2.591 0，貢獻(xiàn)率為18.51%，生育期、第一果枝結(jié)位和株高特征向量值較大且生育期為最大正值，可以稱為生育期因子，這表明生育期長(zhǎng)的材料，有較高株高和較高的第一果枝結(jié)位。由表6可知，第二主成分得分高代表組合為16、18號(hào)和46號(hào)。

第三主成分的特征值為1.550 8，貢獻(xiàn)率為11.08%，單鈴重負(fù)向量值最大，可以稱為鈴重因子，單株鈴數(shù)有較大正向量，纖維品質(zhì)構(gòu)成因素除馬克隆值均為正向量，這說明隨單鈴重增加而單株鈴數(shù)有減少的趨勢(shì)，纖維品質(zhì)也有降低的趨勢(shì)。由表6可知，第三主成分得分高代表組合為11、12、24號(hào)和27號(hào)。

表6 46份棉花雜交組合主成分得分Table 6 Principal component scores of 46 cotton hybrid combinations

第四主成分的特征值為1.1158，貢獻(xiàn)率為7.97%，果枝數(shù)特征向量值最大，可以稱為果枝因子，這表明第四主成分得分高的材料，其果枝數(shù)較多，代表組合為15號(hào)和37號(hào)。

2.4 46份棉花雜交組合主要性狀聚類分析

對(duì)46份棉花雜交組合14個(gè)性狀數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用離差平方和法進(jìn)行了聚類分析，當(dāng)歐式距離在11.0時(shí)可以將試驗(yàn)材料劃分為四大類(圖1)。

圖1 46份棉花雜交組合的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 46 cotton hybrid combinations

第Ⅰ類群有10份材料，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)為生育期長(zhǎng)，株高高，鈴數(shù)多，單鈴重較高，衣分高，皮棉產(chǎn)量高，上半部平均長(zhǎng)度短和斷裂比強(qiáng)度低的一類品種，綜合表現(xiàn)高產(chǎn)纖維品質(zhì)差，代表組合為15號(hào)和34號(hào)。

第Ⅱ類群有8份材料，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)為生育期短，株高低，鈴數(shù)較多，單鈴重低，衣分低，皮棉產(chǎn)量低，上半部平均長(zhǎng)度較短和斷裂比強(qiáng)度較低的一類品種，綜合表現(xiàn)低產(chǎn)纖維品質(zhì)差，代表組合為22、23號(hào)和24號(hào)。

第Ⅲ類群有20份材料，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)為生育期較短，株高較低，鈴數(shù)較多，單鈴重較低，衣分較高，皮棉產(chǎn)量較高，上半部平均長(zhǎng)度較長(zhǎng)和斷裂比強(qiáng)度較高的一類品種，綜合表現(xiàn)高產(chǎn)纖維品質(zhì)好，代表組合為14、16號(hào)和18號(hào)。

第Ⅳ類群有8份材料，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)為生育期較長(zhǎng)，株高較高，鈴數(shù)少，單鈴重高，衣分低，皮棉產(chǎn)量低，上半部平均長(zhǎng)度長(zhǎng)和斷裂比強(qiáng)度高的一類品種，綜合表現(xiàn)低產(chǎn)纖維品質(zhì)好，代表組合為2、6號(hào)和29號(hào)。

結(jié)合材料來源發(fā)現(xiàn)，選用同一生態(tài)區(qū)域或相同品種作為親本材料，F(xiàn)1代組合有聚為一類的趨勢(shì)，例如第Ⅱ類群由于親本有來源于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所品種而聚為一類。

3 小結(jié)與討論

3.1 相關(guān)性分析揭棉花主要性狀間關(guān)系復(fù)雜性

對(duì)46份棉花雜交組合主要性狀的變異分析表明，材料變異豐富，其中第一果枝節(jié)位、單株鈴數(shù)和皮棉產(chǎn)量變異系數(shù)較大，與環(huán)境間互作明顯，受環(huán)境影響，有進(jìn)一步改良空間，其余性狀具有一定穩(wěn)定性，受遺傳因素影響較大。這表明該批材料應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)第一果枝節(jié)位和單株鈴數(shù)選擇。

產(chǎn)量性狀中，前人研究顯皮棉與主要性狀間關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜。劉翔宇等[12]以126個(gè)棉花品種(系)為試驗(yàn)材料，在新疆季節(jié)性水分匱缺條件下進(jìn)行了形態(tài)指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)分析，發(fā)現(xiàn)皮棉產(chǎn)量與生育期、單株鈴數(shù)、單鈴重、衣分和上半部平均長(zhǎng)度等性狀極顯著正相關(guān)，與斷裂比強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)。高進(jìn)等[13]對(duì)江蘇省2013—2014年14個(gè)早熟棉花區(qū)試品種的主要性狀進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)皮棉產(chǎn)量?jī)H與整齊度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)。本研究與劉翔宇等[12]存在部分一致性，這可能是2019年本地區(qū)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間干旱，試驗(yàn)條件有一定相似性，差異存在的可能與試驗(yàn)材料有關(guān)。進(jìn)一步對(duì)產(chǎn)量因子相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，單鈴重與單株鈴數(shù)之間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與衣分也呈顯著負(fù)相關(guān)；偏相關(guān)性分析(表4)表明，皮棉產(chǎn)量構(gòu)成各因素與產(chǎn)量間均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)程度從大到小依次為單鈴重、衣分、單株鈴數(shù)，且各因素間均表現(xiàn)負(fù)相關(guān)，表明產(chǎn)量構(gòu)成因素間互相制約。與齊子杰[14]、戴寶生等[15]的研究結(jié)果類似，這要求育種者在今后育種過程中要增加單鈴重，提高衣分，兼顧單株鈴數(shù)，協(xié)調(diào)平衡三者間關(guān)系。

纖維品質(zhì)中，本研究顯上半部平均長(zhǎng)度與整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)；斷裂比強(qiáng)度與整齊度指數(shù)和伸長(zhǎng)率呈顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與石建斌等[16]的研究結(jié)果基本一致。皮棉產(chǎn)量與單株鈴數(shù)和衣分呈極顯著正相關(guān)，與生育期、株高、果枝數(shù)和第一果枝節(jié)位呈顯著正相關(guān)，但皮棉產(chǎn)量與子指呈極顯著負(fù)相關(guān)，與上半部平均長(zhǎng)度呈顯著負(fù)相關(guān)，這與李定國(guó)，張文英[17]和徐宇強(qiáng)等[19]的研究結(jié)果類似，在育種過程要協(xié)調(diào)產(chǎn)量與品質(zhì)間的矛盾。

3.2 主成分分析提供了數(shù)據(jù)降維分析方法

主成分分析法常被用來進(jìn)行降維分析，達(dá)到簡(jiǎn)化性狀間關(guān)系的目的。尹會(huì)會(huì)等[22]對(duì)134份國(guó)外棉花種質(zhì)進(jìn)行主成分分析，將15個(gè)表型性狀簡(jiǎn)化為6個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)75.277%；董承光等[23]對(duì)新疆南北疆不同時(shí)期選育的84份陸地棉14個(gè)表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，5個(gè)主成分可解釋77.255%總變異；本研究將46份棉花雜交組合14個(gè)性狀簡(jiǎn)化為4個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)74.11%，纖維品質(zhì)、生育期、鈴重和果枝數(shù)能基本反映全部特征，這與鄧艷鳳等[20]， 李慧琴等[21]的研究基本類似，今后育種者應(yīng)著重在纖維品質(zhì)、生育期、鈴重和果枝數(shù)綜合選擇。

3.3 聚類分析為材料篩選分類提供了便利

聚類分析結(jié)果表明，46份棉花雜交組合可以分為四個(gè)類群，第Ⅰ類群綜合表現(xiàn)高產(chǎn)、纖維品質(zhì)差。第Ⅱ類群株綜合表現(xiàn)低產(chǎn)、纖維品質(zhì)差。第Ⅲ類群綜合表現(xiàn)高產(chǎn)、纖維品質(zhì)好。第Ⅳ類群綜合表現(xiàn)低產(chǎn)、纖維品質(zhì)好。因此，第Ⅲ類群綜合表現(xiàn)較好，在育種中可以重點(diǎn)利用，包括組合14、16號(hào)和18號(hào)；此外，本研究同時(shí)篩選出了高產(chǎn)組合(15號(hào)和34號(hào))和優(yōu)質(zhì)組合(2、6號(hào)和29號(hào))，也可以在今后育種中加以利用。選用同一生態(tài)區(qū)域或相同品種作為親本材料，后代材料有聚為一類的趨勢(shì)，這與李飛等[24]的研究結(jié)果類似。所以，建議今后的育種過程中要加強(qiáng)親緣關(guān)系較遠(yuǎn)或生態(tài)類型差異較大的種質(zhì)資源收集和利用，增加遺傳多樣性，利于培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)棉花新品種。