基于主成分分析的糯玉米雜交組合農(nóng)藝性狀綜合評(píng)價(jià)

王俊花，邵林生，閆建賓，王瑞鋼，張雪彪，龐 旭，張沛敏

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高粱研究所，山西 晉中 030600）

糯玉米的胚乳淀粉幾乎全部由支鏈淀粉組成，這種淀粉的分子量比直鏈淀粉小10 多倍，食用消化率比普通玉米高20%以上，鮮食糯玉米以其黏軟、清香、風(fēng)味獨(dú)特的特點(diǎn)成為我國(guó)城鄉(xiāng)居民食品消費(fèi)中的新寵，而且種植效益較高，是進(jìn)行農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、發(fā)展城郊型農(nóng)業(yè)、增加農(nóng)民收入的有效途徑之一[1]。目前，山西省生產(chǎn)上優(yōu)質(zhì)糯玉米品種較少，產(chǎn)量較低，直接影響到種植戶的利益。因此，篩選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的雜交種，選育并篩選出生育期合適、綜合性狀優(yōu)良的糯玉米組合就顯得尤為重要。

主成分分析是一種多變量分析方法，通過(guò)降維將原來(lái)較多變量重新組合成一組新的互相無(wú)關(guān)的幾個(gè)綜合變量，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要選出幾個(gè)較少的綜合變量，并盡可能多地反映原來(lái)變量的信息。主成分分析是農(nóng)作物遺傳育種主要方法之一，目前已在小麥[2]、玉米[3-5]、甜玉米[6-7]、糯玉米[8-9]、菜豆[10]、谷子[11]、高粱[12]、芝麻[13]、黃瓜[14]、棉花[15]等多種作物遺傳育種中應(yīng)用。

程曉明等[2]對(duì)國(guó)內(nèi)七大小麥生態(tài)區(qū)23 份小麥主栽品種進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果表明，小麥前5 個(gè)主成分占其總信息量的91.200%，分別為拔節(jié)期生長(zhǎng)因子、開(kāi)花期生長(zhǎng)因子、成穗數(shù)產(chǎn)量因子、抽穗期生長(zhǎng)因子、千粒質(zhì)量產(chǎn)量因子；黃經(jīng)菊等[4]通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)，玉米自交系前5 個(gè)主成分（產(chǎn)量因子、穗粗因子、生育期因子、株高因子、穗長(zhǎng)因子）可以用來(lái)表述全部性狀的遺傳信息；陳冰潔等[9]對(duì)鮮食糯玉米新品種的13 個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了相關(guān)性、主成分分析，前3 個(gè)主成分（鮮穗產(chǎn)量因子、雄穗因子和禿尖長(zhǎng)因子）累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.277%。截至目前，主成分分析在晉中盆地鮮食糯玉米雜交組合評(píng)價(jià)上應(yīng)用尚未見(jiàn)報(bào)道。

本研究通過(guò)對(duì)60 份鮮食糯玉米雜交組合和甜糯182 號(hào)（CK）的生育期、株高、穗位高、穗長(zhǎng)、穗粗、禿尖長(zhǎng)、穗行數(shù)、行粒數(shù)和單穗鮮質(zhì)量等9 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳變異、相關(guān)性和主成分分析，并對(duì)雜交組合進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，旨在為晉中盆地鮮食糯玉米雜交組合綜合評(píng)價(jià)及目標(biāo)性狀選擇提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料是山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所甜糯玉米課題組2019 年夏季組配的糯玉米雜交組合223 份，排除田間出苗率低或抗病抗逆性差或倒伏倒折率高的組合，最后選定60 份作為供試材料，同時(shí)以甜糯182 號(hào)（2016 年國(guó)審糯玉米新品種）為對(duì)照（表1）。

表1 雜交組合來(lái)源Tab.1 Sources of cross combinations

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020 年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高粱研究所修文試驗(yàn)基地進(jìn)行。前茬作物為高粱，小區(qū)面積20 m2，每小區(qū)種植5 行，3 次重復(fù)。4 月27 日播種，5 月13 日間苗，5 月20 日定苗，密度為5.25 萬(wàn)株/hm2。播種前，撒施毒土殺滅地下害蟲(chóng)1 次，基肥（牛糞肥）750 kg/hm2，種肥（三元復(fù)合肥）750 kg/hm2。分別于6 月20 日、7 月15 日 灌溉2 次。

乳熟期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)收獲10 株糯玉米用于考種，按照《國(guó)家玉米品種試驗(yàn)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)》調(diào)查生育期（X1）、株高（X2）、穗位高（X3）、穗長(zhǎng)（X4）、穗粗（X5）、禿尖長(zhǎng)（X6）、穗行數(shù)（X7）、行粒數(shù)（X8）和單穗鮮質(zhì)量（X9）。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2013 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計(jì)；采用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析、主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝性狀的變異分析

主要農(nóng)藝性狀變異分析如表2 所示。

表2 主要農(nóng)藝性狀變異分析Tab.2 Variation analysis of main agronomic traits

由表2 可知，糯玉米雜交組合9 個(gè)農(nóng)藝性狀中變異系數(shù)最大的是禿尖長(zhǎng)，達(dá)72.03%，最小的是生育期，變異系數(shù)為5.03%，表明這60 份糯玉米雜交組合的主要農(nóng)藝性狀變異較大，具有比較豐富的遺傳多樣性。變異系數(shù)由大到小依次為禿尖長(zhǎng)（X6）、穗位高（X3）、單穗鮮質(zhì)量（X9）、穗行數(shù)（X7）、行粒數(shù)（X8）、株高（X2）、穗長(zhǎng)（X4）、穗粗（X5）、生育期（X1）。

2.2 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

從表3 可以看出，各性狀與單穗鮮質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)從大到小依次為穗粗＞穗行數(shù)＞行粒數(shù)＞穗長(zhǎng)＞株高＞穗位高＞生育期＞禿尖長(zhǎng)，其中，穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)、株高與單穗鮮質(zhì)量都呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明直接影響單穗鮮質(zhì)量的性狀是穗部性狀，株高在決定單穗鮮質(zhì)量上也起重要作用。此外，穗長(zhǎng)與穗粗和行粒數(shù)、穗粗與穗行數(shù)和行粒數(shù)、穗行數(shù)與行粒數(shù)均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；穗長(zhǎng)與穗行數(shù)呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明穗部各性狀之間關(guān)聯(lián)較大。

表3 主要農(nóng)藝性狀相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients of main agronomic traits

生育期與穗位高呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與株高、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)正相關(guān)，說(shuō)明生育期影響著株高、穗位高、穗粗等性狀。株高與穗位高呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），與穗粗、行粒數(shù)呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明較高的生物產(chǎn)量是鮮穗高產(chǎn)的基礎(chǔ)。值得注意的是，禿尖長(zhǎng)與單穗鮮質(zhì)量、穗粗、行粒數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01），說(shuō)明禿尖長(zhǎng)對(duì)單穗鮮質(zhì)量的貢獻(xiàn)為負(fù)值。

2.3 主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率≥85%能比較全面地反映遺傳信息[2,16-17]，對(duì)9 個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取了累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.629%的前5 個(gè)因子，貢獻(xiàn)率依次為38.755 4%、18.041 2%、12.275 3%、9.955 9%、8.600 8%，得到的主成分因子表達(dá)式如下。

從表4 可以看出，第1 主成分特征值3.488，貢獻(xiàn)率38.755%，在方差中占比最大，說(shuō)明它綜合原有變量的能力最強(qiáng)，穗長(zhǎng)（X4）、穗粗（X5）、穗行數(shù)（X7）、行粒數(shù)（X8）、單穗鮮質(zhì)量（X9）的權(quán)重系數(shù)較大，且單穗鮮質(zhì)量最大，并與其他4 個(gè)變量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），因此，第1 主成分可綜合為雜交組合的產(chǎn)量因子，單穗產(chǎn)量是群體產(chǎn)量的基礎(chǔ)，所以，第1 主成分越大越好；第2 主成分特征值1.624，貢獻(xiàn)率18.041%，穗位高（X3）的權(quán)重系數(shù)最大，為0.654，株高（X2）次之，且二者呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），因而第2 主成分可以解析為穗位高因子；第3 主成分特征值1.105，貢獻(xiàn)率12.275%，禿尖長(zhǎng)（X6）權(quán)重系數(shù)最大，因此，第3 主成分可以解析為禿尖長(zhǎng)因子，從果穗外觀品質(zhì)考慮，第3 主成分較小為好；第4 主成分特征值0.896，貢獻(xiàn)率9.956%，生育期（X1）權(quán)重系數(shù)最大，其次為穗行數(shù)（X7），因此，第4 主成分可以解析為生育期因子，在一定范圍內(nèi)，生育期長(zhǎng)短與產(chǎn)量相關(guān)，育種過(guò)程中可按照育種目標(biāo)或當(dāng)?shù)赜行Хe溫來(lái)定；第5 主成分特征值0.774，貢獻(xiàn)率8.601%，穗長(zhǎng)（X4）權(quán)重系數(shù)最大，因此，第5 主成分可以解析為穗長(zhǎng)因子。穗長(zhǎng)是單穗產(chǎn)量重要影響因子之一，其值較大為好。

表4 主要農(nóng)藝性狀的主成分分析Tab.4 Principal component analysis of main agronomic traits

2.4 基于主成分分析的雜交組合綜合評(píng)價(jià)

分別以5 個(gè)主成分因子的貢獻(xiàn)率為權(quán)重，5 個(gè)主成分因子的權(quán)重分別為0.345、0.165、0.110、0.089、0.079，以權(quán)重為函數(shù)系數(shù)，構(gòu)建主成分綜合評(píng)價(jià)模型公式如下。

式中，F(xiàn)為樣本綜合評(píng)價(jià)得分值。

從表5 可以看出，各個(gè)雜交組合之間存在大的差異，甜糯182 號(hào)（CK）排名第27，得分為0.036，雜交組合表現(xiàn)優(yōu)于CK 的依次為J6、J27、J61、J11、J7、J16、J34、J29、J4、J14、J5、J32、J12、J13、J39、J42、J3、J44、J38、J1、J60、J23、J28、J10、J24、J26。篩選出的比較優(yōu)良組合較多主要是因?yàn)閷?duì)2019 年夏季組配的232 份糯玉米雜交組合已進(jìn)行了初步篩選，剔除了田間出苗率差、果穗露尖、倒伏倒折嚴(yán)重、光稈多和抗病性差的組合。也就是說(shuō)這26 個(gè)雜交組合的單穗鮮質(zhì)量較高、穗長(zhǎng)較長(zhǎng)、禿尖較短、綜合性狀好。

表5 主成分綜合評(píng)價(jià)及排序Tab.5 Comprehensive evaluation of principal component analysis and ranking

由表6 可知，26 個(gè)比較優(yōu)良的組合單穗鮮質(zhì)量、穗行數(shù)、行粒數(shù)、株高、穂長(zhǎng)、穂粗平均值比CK分 別 提 高 了 5.30%、10.24%、7.90%、7.60%、4.35%、2.04%，禿尖長(zhǎng)度增加了0.9 cm；穗位高降低了3.46%；生育期平均為87.2 d，與CK（87 d）基本一致，且均能正常成熟。

表6 26 個(gè)比較優(yōu)良組合的農(nóng)藝性狀平均值Tab.6 Mean value of agronomic traits of 26 superior combinations

禿尖長(zhǎng)度會(huì)影響鮮果穗的外觀品質(zhì)，從而影響到果穗的商品率，因此，對(duì)果穗禿尖長(zhǎng)度＞2 cm（禿頂穗）[18]雜交組合予以淘汰?；谥鞒煞址治龅木C合評(píng)價(jià)，結(jié)合果穗等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，篩選出優(yōu)良糯玉米雜交組合18 個(gè)，分別為J27、J61、J7、J16、J4、J14、J5、J32、J12、J13、J39、J44、J1、J60、J23、J28、J10、J24。

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，60 份鮮食糯玉米雜交組合9 個(gè)主要農(nóng)藝性狀存在明顯的變異，遺傳變異豐富。其中，禿尖長(zhǎng)、穗位高、單穗鮮質(zhì)量的變異系數(shù)較大，說(shuō)明在育種過(guò)程中對(duì)這3 個(gè)性狀進(jìn)行篩選的潛力較大。穗粗、生育期的變異系數(shù)較小，說(shuō)明這2 個(gè)性狀主要由品種特性決定，可以根據(jù)育種目標(biāo)優(yōu)化親本組合，從而實(shí)現(xiàn)性狀的適度改良。

通過(guò)相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，供試材料生育期與穗位高、株高與穗位高、穗長(zhǎng)與穗粗和行粒數(shù)、穗粗與穗行數(shù)和行粒數(shù)、穗行數(shù)與行粒數(shù)都呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明農(nóng)藝性狀之間存在相輔相成的關(guān)系。在新品種的選育過(guò)程中，要協(xié)調(diào)相關(guān)性狀間的平衡。單穗鮮質(zhì)量與穗部性狀（穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗長(zhǎng)）有極顯著的正相關(guān)關(guān)系，株高在決定單穗鮮質(zhì)量上也起著重要作用，禿尖長(zhǎng)與單穗鮮質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)，這同張振良等[8]、陳冰潔等[9]的研究結(jié)果基本相同，說(shuō)明果穗穗部性狀是鮮穗產(chǎn)量構(gòu)成的重要因素，但禿尖長(zhǎng)對(duì)單穗鮮質(zhì)量的貢獻(xiàn)為負(fù)值，越小越好。

在糯玉米育種工作中，各性狀多為數(shù)量性狀，給綜合評(píng)價(jià)糯玉米育種工作帶來(lái)一定困難。潘天遵等[5]、劉長(zhǎng)華等[19]、何文鑄等[20]應(yīng)用主成分分析方法對(duì)玉米進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出優(yōu)良種質(zhì)資源。主成分分析法可以將多個(gè)相互關(guān)聯(lián)的性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少的獨(dú)立的新指標(biāo)[16-17]。本研究通過(guò)主成分分析，將9 個(gè)農(nóng)藝性狀降解為5 個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)87.629%，第1 主成分單穗產(chǎn)量因子，是糯玉米雜交組合評(píng)判的主要指標(biāo)；第2 主成分穗位高因子；第3 主成分禿尖長(zhǎng)因子，禿尖長(zhǎng)影響了鮮食糯玉米的果穗外觀、鮮穗等級(jí)，在品種評(píng)價(jià)和選育時(shí)，禿尖長(zhǎng)度應(yīng)控制在最低標(biāo)準(zhǔn)[18]；第4 主成分生育期因子；第5 主成分穗長(zhǎng)因子，這同前人研究結(jié)果不完全一致[8-9]，主要是由不同地域的氣候和環(huán)境條件所致，從而影響到參試材料的植物學(xué)性狀和果穗性狀的表達(dá)。綜上可見(jiàn)，在晉中盆地糯玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種中，要注重對(duì)單穗產(chǎn)量大、穗長(zhǎng)較長(zhǎng)、禿尖較短、生育期87 d 左右的雜交組合進(jìn)行選擇。

本研究采用主成分分析方法從60 份糯玉米雜交組合中篩選出優(yōu)于對(duì)照甜糯182 號(hào)的雜交組合26 份，進(jìn)一步剔除禿尖長(zhǎng)高于2 cm 的組合[18]，最終獲得18 份優(yōu)良雜交組合，分別為J27、J61、J7、J16、

J4、J14、J5、J32、J12、J13、J39、J44、J1、J60、J23、J28、J10、J24，減少了多性狀選擇的盲目性和工作量，提高了選擇效率。但是對(duì)這18 份優(yōu)良雜交組合的品質(zhì)性狀還有待進(jìn)一步研究，從而篩選出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、綜合性狀好的雜交組合。