基于主成分和系統(tǒng)聚類分析法對高粱雜交組合的綜合評價(jià)

韓永亮， 張清華， 羅河月， 郭 群， 崔江慧， 常金華， 方路斌*

(1.邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 河北 邯鄲 056000； 2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院， 河北 保定 071001， 3.河北漢青種業(yè)有限公司， 河北 滄州 061000)

0 引言

【研究意義】高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]是繼小麥、水稻、玉米和大麥之后的世界第五大禾谷類作物[1-4]，其籽粒富含淀粉、蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分。作為一種高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)禾本科C4作物，高粱具有較高的光合效率，較強(qiáng)的抗旱、抗?jié)臣澳望}堿等特性，在平原、山丘、澇洼地和鹽堿地均可種植[1]。高粱品種多樣，用途廣泛，是釀造、食用、飼用、制糖和造紙等行業(yè)的重要原料，具有較高的實(shí)用價(jià)值[2]。產(chǎn)量和品質(zhì)是衡量高粱新品種使用價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)，高粱產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的提高有賴于各農(nóng)藝性狀和其他生物性狀的不斷改良與共同協(xié)調(diào)[3]。探究高粱各性狀對產(chǎn)量和品質(zhì)影響的主次關(guān)系，可更有效地改良目標(biāo)性狀，對選育高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)高粱品種具有重要現(xiàn)實(shí)意義。【前人研究進(jìn)展】主成分分析是目前作物雜交組合綜合評價(jià)的主要方法之一。喬婧等[4]通過主成分分析，從20份粒用高粱種質(zhì)資源的9個(gè)農(nóng)藝性狀中提取株型、籽粒產(chǎn)量及穗形3個(gè)主成分,其累積貢獻(xiàn)率達(dá)75.381%；王官等[5]從15個(gè)甜高粱資源7個(gè)農(nóng)藝性狀中提取株型因子、籽粒產(chǎn)量因子和錘度因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.115%；同時(shí)經(jīng)聚類分析將15 份甜高粱種質(zhì)資源分為4大類，第Ⅲ類、第Ⅳ類群性狀優(yōu)良。王俊花等[6]對26個(gè)超甜玉米雜交組合的9個(gè)農(nóng)藝性狀、品質(zhì)及產(chǎn)量進(jìn)行主成分分析提取的前5個(gè)主成分(產(chǎn)量因子、品質(zhì)因子、穗行數(shù)因子、禿尖長因子和生育期因子)累計(jì)貢獻(xiàn)率為87.741 4%；通過聚類分析將26個(gè)超甜玉米雜交組合聚成三大類群，其中第Ⅱ類、第Ⅲ類群的產(chǎn)量和品質(zhì)明顯優(yōu)于第Ⅰ類群。張一中等[7]對90份粒用高粱的單寧和蛋白質(zhì)含量進(jìn)行聚類分析，將其劃分為五大類群，第Ⅰ類群可作為優(yōu)良飼料親本加以利用。主成分分析與聚類分析已成為作物品種(組合)間綜合評價(jià)的有效手段。【研究切入點(diǎn)】目前，采用主成分分析法和聚類分析對高粱雜交組合的研究較少，且多集中在農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量方面，結(jié)合品質(zhì)性狀的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】采用主成分分析法對18個(gè)高粱雜交組合的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行主成分提取，結(jié)合聚類分析法對雜交組合進(jìn)行綜合評分，篩選優(yōu)良雜交組合，為雜交高粱品種選育和種質(zhì)資源創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院附屬試驗(yàn)場進(jìn)行，地處黃淮海平原，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫13.1℃，年日照時(shí)數(shù)2 400～2 500 h,年有效積溫5 010.8℃。前茬為空白地，土壤為沙質(zhì)壤土，肥力均勻。試驗(yàn)前0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量：水解性氮116.1 mg/kg、有效磷16.0 mg/kg、速效鉀114 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試高粱雜交組合18個(gè)，從河北農(nóng)業(yè)大學(xué)和邯鄲市農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)(表1)。其中，農(nóng)5為河北漢青種業(yè)有限公司和河北農(nóng)業(yè)大學(xué)2020年共同登記品種(漢青3號(hào))，該品種株高中等，生育期125 d左右，適宜在河北春播、夏播種植，目前已在河北省推廣種植。

表1 供試高粱雜交組合及選育單位

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

每個(gè)高粱雜交組合對應(yīng)1個(gè)處理，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)[8]，3次重復(fù)。種植密度為12萬株/hm2，小區(qū)面積10 m2，南北行向，每小區(qū)種植4行，行長5 m，周圍設(shè)保護(hù)行。2021年5月20日開溝播種，播前施氮磷鉀三元復(fù)合肥(N22-P8-K10)450 kg/hm2，6月2日定苗，6月20日中耕除草1次，7月14日灌溉1次。拔節(jié)期和抽穗期分別追施1次尿素，施入量分別為150 kg/hm2和120 kg/hm2。高粱生長過程中，不去除分蘗，出苗期和成熟期加強(qiáng)管理，以防鳥害。

1.4 測定項(xiàng)目及方法

1.4.1 產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀測定 產(chǎn)量：高粱收獲期，每小區(qū)實(shí)收籽粒產(chǎn)量折算為每公頃產(chǎn)量。株高：高粱開花期，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)測量5株從地面至穗頂?shù)闹髑o平均高度。穗下莖節(jié)：高粱成熟期，自莖稈上端莖節(jié)處至穗基部的長度。節(jié)數(shù)：高粱主莖著生節(jié)數(shù)。莖粗：灌漿期，調(diào)查典型植株莖稈中部節(jié)間，卡尺測量直徑，取5株平均值。穗長：取5株典型穗，自然風(fēng)干后按單株測量自穗下葉痕至穗尖長度取平均值。穗重：取5株典型穗，自然風(fēng)干后按單株稱重取平均值。穗粒重：取5株典型穗，自然風(fēng)干后按單株全部脫粒稱重取平均值。容重：用容重測量盒量取100 cm3籽粒稱重，3次重復(fù)。千粒重：每小區(qū)隨機(jī)稱取1 000粒重，3次重復(fù)。

1.4.2 品質(zhì)性狀測定 利用近紅外谷物分析儀[7]測定高粱籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白質(zhì)含量和單寧含量，6次重復(fù)，取平均值。

1.4.3 主成分分析 計(jì)算被調(diào)查性狀的特征值和成分方差，再根據(jù)成分方差累積貢獻(xiàn)率(>80%原則)提取主成分[9-13]；通過線性模型系數(shù)表，將被測性狀無量綱數(shù)據(jù)代入線性模型求得18個(gè)高粱雜交組合的每個(gè)主成分得分，根據(jù)各主成分貢獻(xiàn)率加權(quán)每個(gè)得分，求和得到品種綜合得分[14]。

1.4.4 聚類分析 對每個(gè)品種的加權(quán)綜合得分進(jìn)行聚類分析[15-16]，以歐氏距離為尺度，依據(jù)類間平均的最短距離進(jìn)行歸類[17-19]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007、SPSS 17.0及DPS 7.05進(jìn)行各性狀的主成分分析、品種綜合評分及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 18個(gè)高粱雜交組合主要性狀的差異

由表2可知，不同高粱雜交組合間同一性狀存在顯著差異。經(jīng)濟(jì)性狀中產(chǎn)量的變異系數(shù)為22.38%。農(nóng)藝性狀中株高、穗下莖節(jié)、節(jié)數(shù)、莖粗、穗粒重、穗長、容重、穗重和千粒重的變異系數(shù)在6.37%～87.21%，其中，穗下莖節(jié)的變異系數(shù)最大，達(dá)87.21%；籽粒容重的變異系數(shù)最低，為6.37%，說明容重的選育潛力較低。品質(zhì)性狀中單寧含量的變異系數(shù)最大，達(dá)38.64%；粗蛋白和粗脂肪含量的變異系數(shù)分別為12.94%和12.49%；淀粉含量的變異系數(shù)最低，為5.76%，說明品質(zhì)性狀中淀粉含量的選育潛力較低。

表2 18個(gè)高粱雜交組合的主要性狀

2.2 高粱雜交組合主要性狀指標(biāo)的主成分提取

由于各性狀的單位不同，對18個(gè)高粱雜交組合的14個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到其無量綱的數(shù)據(jù)(表3)。通過主成分分析后，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率>80.00%的原則，提取前5個(gè)主成分，第一主成分特征值為4.200，貢獻(xiàn)率占30.002%；第二主成分特征值為2.977，貢獻(xiàn)率占21.265%；第三主成分特征值為2.267，貢獻(xiàn)率占16.194%；第四主成分特征值為1.194，貢獻(xiàn)率占8.530%；第五主成分特征值為1.063，貢獻(xiàn)率占7.590%。5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.581%(表4)。

表3 18個(gè)高粱雜交組合主要性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)的無量綱化

表4 18個(gè)高粱雜交組合主要性狀的主成分特征值和貢獻(xiàn)率

2.3 高粱雜交組合主要性狀指標(biāo)的因子選擇

由表5可知，第一主成分中荷載高且數(shù)值為正的性狀包括產(chǎn)量(0.815)、穗粒重(0.873)和穗重(0.852)，可作為籽粒產(chǎn)量因子；第二主成分中荷載高且數(shù)值為正的性狀包括株高(0.888)和穗下莖節(jié)(0.858)，可作為株型因子；第三主成分中荷載高且數(shù)值為正的性狀為節(jié)數(shù)(0.823)，可作為植株長勢因子；第四主成分中荷載高且數(shù)值為正的性狀為淀粉(0.648)，可作為品質(zhì)因子；第五主成分中荷載高且數(shù)值為正的性狀為穗長(0.715)，可作為穗型因子。

表5 18個(gè)高粱雜交組合主要性狀指標(biāo)主成分的因子載荷

2.4 18個(gè)高粱雜交組合的綜合評分

從表6看出，在18個(gè)高粱雜交組合中，綜合得分排名前8的品種依次為農(nóng)8、農(nóng)7、雜4、雜12、雜11、雜8、雜5和雜14，表明這8個(gè)雜交組合的14個(gè)性狀綜合表現(xiàn)較好，可在生產(chǎn)上推廣應(yīng)用，并可作為高粱品種選育的基礎(chǔ)材料加以利用。

表6 18個(gè)高粱雜交組合的綜合得分及排序

2.5 18個(gè)高粱雜交組合的聚類

在距離為0.31處將18個(gè)高粱雜交組合分為4個(gè)類群(圖1)。農(nóng)2、雜2、農(nóng)5(CK)及雜7屬于第Ⅰ類群品種，此類群高粱的植株中矮稈，莖稈較粗，產(chǎn)量一般，蛋白含量較高；雜3屬于第Ⅱ類群組合，該類群植株高大，產(chǎn)量較低，蛋白含量較高，可作為特殊種質(zhì)資源；農(nóng)6、雜13、雜5、雜10、雜14、雜1、雜9為第Ⅲ類群組合，表現(xiàn)為植株高度居中，產(chǎn)量較高，品質(zhì)較好；農(nóng)7、農(nóng)8、雜4、雜12、雜11、雜8為第Ⅳ類群品種，表現(xiàn)為植株高大，產(chǎn)量高，品質(zhì)較好。因此第Ⅲ類群和Ⅳ類群具有較大的生產(chǎn)潛力和育種潛力。

3 討論

18份高粱雜交組合表現(xiàn)出豐富的形態(tài)差異，株型、產(chǎn)量及品質(zhì)性狀均呈現(xiàn)顯著差異。農(nóng)藝性狀中的籽粒容重和品質(zhì)性狀中的淀粉含量變異系數(shù)較低，表明這2個(gè)性狀改良的選育潛力低，如引入特異種質(zhì)資源加以改良則會(huì)產(chǎn)生較好效果。我國釀酒專用高粱應(yīng)滿足淀粉含量高、蛋白質(zhì)和脂肪適量的條件，并含有適宜的單寧含量。單寧對于白酒的風(fēng)味形成尤為重要，其含量一般不超過1.4%[20]。18份高粱雜交組合中平均單寧含量為1.06%，變異系數(shù)為38.64%，在4個(gè)品質(zhì)性狀中最高，表明單寧含量的選育潛力較高，18個(gè)組合內(nèi)既可以選育出低單寧飼用品種，也可選育出釀造品種。

通過高粱主要性狀主成分分析提取5個(gè)主成分(籽粒產(chǎn)量、株型、長勢、品質(zhì)、穗形)，其累積貢獻(xiàn)率超80%，與喬婧等[4]提取高粱株型、籽粒產(chǎn)量和穗形3個(gè)主成分，王官等[5]提取高粱株型、籽粒產(chǎn)量及錘度3個(gè)主成分的研究結(jié)果部分一致，雖然主因子提取數(shù)量不同，貢獻(xiàn)率也不完全相同，但是株型和籽粒產(chǎn)量均表現(xiàn)為主因子，可見株型和籽粒產(chǎn)量在高粱品種改良中發(fā)揮重要作用。

4 結(jié)論

采用主成分分析法對18個(gè)高粱雜交組合的14個(gè)主要性狀進(jìn)行分析，提取出5個(gè)主成分(籽粒產(chǎn)量、株型、長勢、品質(zhì)、穗型)，其累積貢獻(xiàn)率超80%，因此，在高粱品種選育過程中可重點(diǎn)圍繞該5個(gè)主成分因子開展性狀改良與選擇。同時(shí)對18個(gè)高粱雜交組合進(jìn)行加權(quán)綜合評分，綜合得分排在前8位的品種依次為農(nóng)8、農(nóng)7、雜4、雜12、雜11、雜8、雜5和雜14，這8個(gè)組合綜合表現(xiàn)較好，可重點(diǎn)推廣應(yīng)用，并可作為高粱品種選育的基礎(chǔ)材料加以利用。

系統(tǒng)聚類分析將18個(gè)高粱雜交組合分為4個(gè)類群，其中，第Ⅲ類群(農(nóng)6、雜13、雜5、雜10、雜14、雜1、雜9)和第Ⅳ類群(農(nóng)7、農(nóng)8、雜4、雜12、雜11、雜8)產(chǎn)量高，品質(zhì)較好，具有較大的生產(chǎn)潛力和育種潛力。第Ⅰ類群(農(nóng)2、雜2、農(nóng)5)和第Ⅱ類群(雜3)的雜交組合還需進(jìn)一步改良，可利用其個(gè)別性狀進(jìn)行育種，如采用雜交或回交將其他穩(wěn)定材料的優(yōu)良性狀導(dǎo)入組合中。