棉花纖維質(zhì)量指數(shù)的構(gòu)建與WGT雙標(biāo)圖分析

許乃銀 王 揚(yáng) 王丹濤 寧賀佳 楊曉妮 喬銀桃

棉花纖維質(zhì)量指數(shù)的構(gòu)建與WGT雙標(biāo)圖分析

許乃銀1王 揚(yáng)2王丹濤2寧賀佳2楊曉妮1喬銀桃1

1江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所, 江蘇南京 210014;2中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心, 北京 100007

棉花纖維質(zhì)量受到多項(xiàng)纖維性狀的共同作用和影響, 科學(xué)構(gòu)建纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)有利于客觀評(píng)價(jià)棉花纖維的總體質(zhì)量水平。本研究采用2019—2021年期間中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心在新疆主產(chǎn)棉區(qū)的棉纖維質(zhì)量抽檢數(shù)據(jù)構(gòu)建了棉纖維質(zhì)量指數(shù)模型, 并采用WGT雙標(biāo)圖方法對(duì)質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行可視化分析和品種分類評(píng)價(jià)。結(jié)果表明, (1) 棉纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的構(gòu)成因子及權(quán)重分別為纖維長度(權(quán)重為0.451)、整齊度(0.173)、比強(qiáng)度(0.285)、馬克隆值(–0.117)和顏色級(jí)(–0.526)。(2) 基于纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(CEI)和性狀協(xié)調(diào)指數(shù)(TCI)構(gòu)建了纖維質(zhì)量指數(shù)(FQI), 并篩選出新陸中64、新陸早78和中棉113等綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)最好的品種, 以及新陸早67、新陸早54、酒棉18號(hào)和新陸中78等綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)較差的品種。(3) 用WGT雙標(biāo)圖實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù)的可視化分析。(4) 采用WGT雙標(biāo)圖分析方法將纖維質(zhì)量監(jiān)測抽檢的52個(gè)棉花品種劃分為4個(gè)特征明顯的品種類型, 其中, I型品種的纖維綜合表現(xiàn)最好; II型品種綜合表現(xiàn)較差; III型品種性狀協(xié)調(diào)指數(shù)表現(xiàn)最好, 其余性狀表現(xiàn)差; IV型品種顏色級(jí)表現(xiàn)差, 其余性狀表現(xiàn)較好。本研究在對(duì)主產(chǎn)棉區(qū)棉花纖維品質(zhì)指標(biāo)廣泛抽樣的基礎(chǔ)上采用逐步回歸分析的方法構(gòu)建了纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù), 并結(jié)合性狀協(xié)調(diào)指數(shù)建立了纖維質(zhì)量指數(shù), 同時(shí)采用WGT雙標(biāo)圖方法實(shí)現(xiàn)了可視化分析, 可為科學(xué)制定中國棉花纖維質(zhì)量指數(shù)提供理論支持, 也為其他類似的品種多性狀數(shù)據(jù)分析提供了應(yīng)用范例。

棉花(L.); 纖維質(zhì)量指數(shù); GT雙標(biāo)圖; WGT雙標(biāo)圖; 逐步回歸分析; 聚類分析

我國棉花綜合纖維品質(zhì)已經(jīng)達(dá)到或接近國際中等質(zhì)量水平, 但仍存在主要物理性能指標(biāo)不協(xié)調(diào)和纖維綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)用性差等問題[1]。棉纖維的成紗質(zhì)量受到棉纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度和馬克隆值等纖維品質(zhì)指標(biāo)的綜合影響, 由于多個(gè)目標(biāo)性狀間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的遺傳相關(guān)關(guān)系, 對(duì)個(gè)別性狀的改良和選擇可能會(huì)弱化其他性狀[2], 因此, 基于多性狀的品種選擇是作物育種領(lǐng)域長期面臨的重要挑戰(zhàn)之一[2-3]。單性狀淘汰和多性狀指數(shù)選擇是解決這個(gè)問題的主要辦法[4-6]。單性狀淘汰就是為每個(gè)目標(biāo)性狀設(shè)定淘汰閾值, 保證選擇的品種沒有明顯缺陷[2]。多性狀指數(shù)選擇就是為每個(gè)性狀設(shè)定權(quán)重系數(shù), 以加權(quán)平均值為綜合選擇的標(biāo)準(zhǔn), 使選擇的品種具有較高的綜合性狀水平[4]。在棉纖維品質(zhì)育種和質(zhì)量檢驗(yàn)實(shí)踐中同樣需要對(duì)品質(zhì)性狀賦予不同的權(quán)重系數(shù), 建立綜合選擇指數(shù)[7-8], 但由于選擇指數(shù)中目標(biāo)性狀的取舍和權(quán)重賦值常具有很強(qiáng)的主觀性和經(jīng)驗(yàn)性, 基于不同選擇指數(shù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果缺少可比性和通用性, 難以在實(shí)踐中普遍推廣應(yīng)用[9]。棉纖維的商品價(jià)值是聯(lián)系纖維質(zhì)量與成紗質(zhì)量的紐帶, 也是聯(lián)系棉花種植業(yè)和棉紡業(yè)的橋梁?；诿蘩w維性狀對(duì)皮棉商品價(jià)值的實(shí)際貢獻(xiàn)率建立纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù), 必然具有更好的普適性和科學(xué)性。另一方面, 雙標(biāo)圖方法近年來被廣泛地用于分析多性狀數(shù)據(jù), 以更加直觀地分析和展示性狀間的互作模式[9-10]。其中, 品種×性狀(genotype by trait, GT)雙標(biāo)圖主要用于直觀展示目標(biāo)性狀間的相關(guān)關(guān)系[6,11], 但并不適用于棉花纖維品質(zhì)的多性狀綜合評(píng)價(jià)[4,12]。品種×產(chǎn)量-性狀組合(genotype by yield×trait, GYT)雙標(biāo)圖主要用于分析產(chǎn)量與性狀的組合水平, 適用于包含產(chǎn)量在內(nèi)的品種多性狀綜合選擇和評(píng)價(jià)[4,12], 但也不適合進(jìn)行纖維品質(zhì)性狀的綜合評(píng)價(jià)。性狀加權(quán)的GT (weighted genotype by trait, WGT)雙標(biāo)圖方法可用于多性狀綜合評(píng)價(jià)和選擇。本研究采用2019—2021年期間中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心在主產(chǎn)棉區(qū)新疆的棉纖維質(zhì)量抽檢數(shù)據(jù)基于性狀對(duì)價(jià)格指數(shù)的貢獻(xiàn)率構(gòu)建和驗(yàn)證棉花纖維質(zhì)量指數(shù)模型, 并采用WGT雙標(biāo)圖方法對(duì)質(zhì)量指數(shù)進(jìn)行可視化分析和展示, 從而為棉花質(zhì)量的科學(xué)評(píng)價(jià)和棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供理論支持和應(yīng)用范例。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

2019—2021年期間中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心開展了新疆棉花質(zhì)量監(jiān)測專項(xiàng)行動(dòng), 對(duì)棉花生產(chǎn)、收購和加工環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程質(zhì)量監(jiān)測, 在新疆阿克蘇、阿拉爾、巴州、博州、哈密、石河子、塔城、圖木舒克和五家渠等9個(gè)主產(chǎn)棉區(qū)的27家棉花加工企業(yè)棉花加工的大垛、籽清后軋花前、軋花后氣流皮清前和氣流皮清后鋸齒皮清前等4個(gè)主要環(huán)節(jié)對(duì)棉花進(jìn)行取樣檢驗(yàn), 并結(jié)合棉纖維質(zhì)量公檢數(shù)據(jù)對(duì)棉花質(zhì)量進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測。2019—2021年共抽檢有效纖維樣品105,974個(gè), 數(shù)據(jù)涉及52個(gè)棉花主栽品種在各棉花加工企業(yè)各抽樣環(huán)節(jié)的纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值、顏色級(jí)值、反射率和黃度等品質(zhì)指標(biāo)。其中, 2019、2020和2021年的抽樣數(shù)量分別為13,668個(gè)、58,447個(gè)和33,859個(gè)。

1.2 性狀選擇與權(quán)重賦值方法

1.3 纖維質(zhì)量指數(shù)模型構(gòu)建與應(yīng)用

依據(jù)逐步回歸模型確定的性狀指標(biāo)和權(quán)重系數(shù)構(gòu)建纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(comprehensive evaluation index, CEI), 體現(xiàn)各纖維性狀的綜合水平, 數(shù)值越大, 則綜合纖維品質(zhì)越好; 以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)性狀間的標(biāo)準(zhǔn)差為纖維性狀協(xié)調(diào)指數(shù)(trait consistency index, TCI), 表達(dá)各性狀的協(xié)調(diào)水平, 數(shù)值越小, 則品質(zhì)性狀間的協(xié)調(diào)性越好; 以CEI與CEI最大值的差異及協(xié)調(diào)指數(shù)加權(quán)平方根為離優(yōu)度指數(shù)(distance to the ideal genotype, DTI), 數(shù)值越小, 則品質(zhì)越理想; 將離優(yōu)度指數(shù)[0, 1]化, 并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)越大質(zhì)量越好, 就形成了纖維質(zhì)量指數(shù)(fiber quality index, FQI), 以同時(shí)表達(dá)纖維品質(zhì)的綜合水平和纖維性狀間的協(xié)調(diào)水平。計(jì)算公式如下:

纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù),

纖維性狀協(xié)調(diào)指數(shù),

離優(yōu)度指數(shù),

纖維質(zhì)量指數(shù),

式中, CEI是品種的綜合評(píng)價(jià)指數(shù), T是品種性狀的觀察值,w是性狀的權(quán)重,是性狀數(shù)量, TCI是品種的纖維協(xié)調(diào)指數(shù), DTI是品種的離優(yōu)度指數(shù), CEImax和DTImax分別為纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和離優(yōu)度指數(shù)的最大值,w和w分別為纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和性狀協(xié)調(diào)指數(shù)在構(gòu)成纖維質(zhì)量指數(shù)的權(quán)重系數(shù)(公式(3)中設(shè)w=w=1, 但在具體應(yīng)用中可依據(jù)需求調(diào)節(jié))。

1.4 WGT雙標(biāo)圖分析

依據(jù)2019—2021年纖維質(zhì)量監(jiān)測中抽檢的52個(gè)棉花主栽品種纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值、顏色級(jí)和價(jià)格指數(shù)等主要性狀表現(xiàn)(表1), 構(gòu)建品種×性狀(GT)雙標(biāo)圖[10,14], 分析纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)模式。GT雙標(biāo)圖中各纖維性狀向量間的夾角大小表示性狀間相關(guān)性, 夾角越小, 則相關(guān)性越強(qiáng)[10,14]。加權(quán)的GT (weighted genotype by trait, WGT)雙標(biāo)圖是在GT雙標(biāo)圖的基礎(chǔ)上對(duì)性狀加權(quán)后得到的雙標(biāo)圖。在WGT雙標(biāo)圖的“均值-穩(wěn)定性”功能圖[3]中, 平均性狀軸(average trait axis, ATA)指向纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大的方向; 通過原點(diǎn)垂直于ATA軸的縱軸(average trait coordinate, ATC)指向纖維協(xié)調(diào)性差的方向, 越接近于ATA軸, 則協(xié)調(diào)性越好。各品種ATC軸坐標(biāo)的絕對(duì)值與協(xié)調(diào)指數(shù)成比例, ATC軸坐標(biāo)的符號(hào)表達(dá)品種與性狀的互作關(guān)系, 品種在性狀向量上的投影大小表達(dá)了其正向互作的大小。因此, ATC軸不僅表達(dá)了品種的協(xié)調(diào)性, 還表達(dá)了各品種與性狀的互作模式。在WGT雙標(biāo)圖的“理想品種”功能圖[3]中, 各品種圖標(biāo)到“理想品種”的距離代表了離優(yōu)度指數(shù), 距離越小, 則纖維質(zhì)量指數(shù)越好。采用統(tǒng)計(jì)軟件GGE biplot (http://www. ggebiplot.com/)的WGT雙標(biāo)圖功能進(jìn)行加權(quán)的GT雙標(biāo)圖分析。

1.5 品種類型劃分與比較分析

基于WGT雙標(biāo)圖的前2個(gè)主成分(PC1和PC2)得分計(jì)算品種圖標(biāo)間的歐氏距離, 采用類平均法(UPGMA)進(jìn)行品種相似性聚類分析[15], 并在WGT雙標(biāo)圖中展示各品種分類與纖維品質(zhì)性狀的互作模式, 以直觀分析和展示各品種類型的纖維特征。同時(shí), 對(duì)各品種纖維類型的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和多重比較(LSD法), 以分析各品種類型的具體纖維性狀特征及其差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花質(zhì)量抽檢棉花品種的GT雙標(biāo)圖分析

由棉花品種與纖維品質(zhì)性狀二維表構(gòu)建的GT雙標(biāo)圖前2個(gè)主成分解釋了總變異的70.2%, 較好地表達(dá)了纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)性, 以及品種與性狀的互作關(guān)系。由圖1可知, (1) 纖維長度、整齊度和比強(qiáng)度形成一個(gè)向量群, 馬克隆值與顏色級(jí)值形成另一個(gè)向量群, 2個(gè)向量群的性狀間相關(guān)性較弱, 向量群內(nèi)的性狀表現(xiàn)為顯著正相關(guān)。(2) 棉花價(jià)格指數(shù)與“纖維長度、整齊度和比強(qiáng)度”向量群之間呈正相關(guān), 與“馬克隆值與顏色級(jí)值”向量群之間呈負(fù)相關(guān)。(3) 圖1也展示了品種的主要纖維特性。例如, 新陸中64 (代碼G35)的價(jià)格指數(shù)、纖維長度、比強(qiáng)度和整齊度表現(xiàn)優(yōu)秀, 而馬克隆值和顏色級(jí)表現(xiàn)較差; 中棉113 (G51)的纖維長度、比強(qiáng)度和整齊度表現(xiàn)優(yōu)秀, 而價(jià)格指數(shù)、馬克隆值和顏色級(jí)表現(xiàn)一般; 神牛17 (G12)、神牛18 (G13)、新陸早80 (G27)和新陸中58 (G33)等品種的纖維長度、比強(qiáng)度和整齊度表現(xiàn)較差。由表2可知, 價(jià)格指數(shù)與纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān), 與顏色級(jí)和馬克隆值呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān); 纖維長度、整齊度和比強(qiáng)度之間的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平; 顏色級(jí)和馬克隆值均與價(jià)格指數(shù)顯著負(fù)相關(guān), 而與其余性狀相關(guān)不顯著?？梢? 棉纖維性狀之間存在著復(fù)雜的有利或不利相關(guān)關(guān)系, 各性狀對(duì)綜合評(píng)價(jià)的作用也不同, GT雙標(biāo)圖可以大致表達(dá)纖維性狀間的關(guān)系和品種的品質(zhì)特性, 卻很難對(duì)品種纖維品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和選擇。

表1 2019–2021年新疆棉花質(zhì)量監(jiān)測抽檢棉花品種纖維性狀表

(續(xù)表1)

LEN: 纖維長度; UNI: 整齊度; STR: 比強(qiáng)度; MIC: 馬克隆值; COL: 顏色級(jí); CPI: 價(jià)格指數(shù); CEI: 纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù); TCI: 性狀協(xié)調(diào)指數(shù); FQI: 纖維質(zhì)量指數(shù); TYPE: 品種纖維品質(zhì)聚類。

LEN: fiber length; UNI: fiber uniformity; STR: strength; MIC: micronaire value; COL: fiber color garade; CPI: cotton price index; CEI: the comprehensive evaluation index; TCI: trait consistency index; FQI: fiber quality index; TYPE: cultivar cluster type of fiber quality.

2.2 纖維品質(zhì)性狀與價(jià)格指數(shù)的逐步回歸模型構(gòu)建與驗(yàn)證

為確定棉纖維質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的重要性狀和權(quán)重,在2019—2020年抽檢的72,115個(gè)纖維樣品中隨機(jī)抽取10個(gè)樣本(樣本容量7211個(gè)或7212個(gè)), 各樣本數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后采用逐步回歸方法分別建立纖維品質(zhì)性狀與價(jià)格指數(shù)的回歸模型, 并以2021年抽取的33,859個(gè)樣品數(shù)據(jù)的價(jià)格指數(shù)為觀測值對(duì)回歸模型的預(yù)測精確度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明, (1) 纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值和顏色級(jí)為逐步回歸分析的入選因子, 回歸系數(shù)均達(dá)到極顯著水平, 而其余品質(zhì)性狀均未達(dá)到顯著水平, 各模型入選性狀的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)及模型驗(yàn)證結(jié)果列于表3。(2) 10個(gè)回歸模型的精確度都很高, 決定系數(shù)都在0.93**以上, 均方差根和觀察值均值的百分比接近10%。(3) 各模型入選性狀的標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)十分接近, 纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度、馬克隆值和顏色級(jí)的平均標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)分別為0.451、0.173、0.285、-0.117和-0.526。10個(gè)回歸模型的入選因子相同, 標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)接近, 重復(fù)性好, 故以模型入選因子為纖維綜合評(píng)價(jià)的主要性狀, 以平均標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)為各性狀在綜合評(píng)價(jià)指數(shù)中的權(quán)重系數(shù)。

圖1 2019–2021年新疆棉花質(zhì)量抽檢棉花品種纖維性狀的GT雙標(biāo)圖

LEN: 纖維長度; UNI: 整齊度; STR: 比強(qiáng)度; MIC: 馬克隆值; COL: 顏色級(jí); CPI: 價(jià)格指數(shù)。大寫字母G后面的數(shù)字為品種編號(hào), 品種名稱同表1。

LEN: fiber length; UNI: fiber length uniformity; STR: fiber strength; MIC: micronaire value; COL: fiber color grade; CPI: cotton price index. The uppercase G followed by the numbers represents variety codes. Abbreviation of variety names are the same as those given in Table 1.

表2 2019–2021年新疆棉花質(zhì)量抽檢棉花品種纖維性狀相關(guān)性分析

*和**分別表示在0.05和0.01概率水平顯著相關(guān),ns表示相關(guān)不顯著。

*and**indicate significant correlation at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.ns: not significant.

表3 纖維品質(zhì)性狀與價(jià)格指數(shù)逐步回歸模型構(gòu)建與驗(yàn)證

LEN: 纖維長度; UNI: 整齊度; STR: 比強(qiáng)度; MIC: 馬克隆值; COL: 顏色級(jí)。**表示決定系數(shù)在0.01概率水平差異顯著。

LEN: fiber length; UNI: fiber length uniformity; STR: fiber strength; MIC: micronaire value; COL: fiber color grade.**indicates significant determination coefficient at the 0.01 probability level.

2.3 基于纖維質(zhì)量指數(shù)的抽檢品種纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)逐步回歸模型確定的性狀指標(biāo)和權(quán)重系數(shù)構(gòu)建的纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)模型、纖維性狀協(xié)調(diào)指數(shù)模型和纖維質(zhì)量指數(shù)模型, 52個(gè)抽檢品種纖維品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)列于表1。結(jié)果表明, (1) 由各品種的纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(CEI)可知, 抽檢品種的新陸中64綜合纖維品質(zhì)表現(xiàn)突出, 中棉113、新陸早78、新陸中40、新陸中75、兆豐28、巴43541、魯泰19-1和新陸中66等品種綜合表現(xiàn)優(yōu)良, 而新陸早67、新陸早54、酒棉18號(hào)、新陸中78、新陸中68、新陸中70和天豐67等品種綜合纖維品質(zhì)表現(xiàn)較差。(2)由各品種的纖維性狀協(xié)調(diào)指數(shù)(TCI)可見, 新陸中81、新陸中73、新陸中87、金墾108、瑞雜818、天豐67、瑞雜820、新陸中70、新陸早84、中棉96A和17-68等品種的纖維性狀協(xié)調(diào)性較好, 而神牛18、神牛17、兆豐28、新陸中58、新陸中40、中棉113和新陸早42等品種的纖維性狀協(xié)調(diào)性較差, 其余品種表現(xiàn)一般。(3) 由各品種的纖維質(zhì)量指數(shù)(FQI)可見, 新陸中64、新陸早78和中棉113的綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)最好, 新陸中75、新陸中40、巴43541、兆豐28、新陸中66、魯泰19-1、新陸中71和新陸中85的綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)較好, 而新陸早67、新陸早54、酒棉18號(hào)和新陸中78的綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)最差, 新陸中68、新陸中70、天豐67、神牛18、J8031、神牛17和金墾108的綜合纖維質(zhì)量表現(xiàn)較差。

2.4 棉花質(zhì)量抽檢棉花品種的WGT雙標(biāo)圖分析

由于GT雙標(biāo)圖可以表達(dá)纖維性狀間的關(guān)系, 卻不能對(duì)品種纖維品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 而基于纖維質(zhì)量指數(shù)可以對(duì)品種的纖維質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)分, 但不直觀展示性狀間的互作模式。WGT雙標(biāo)圖可直觀地對(duì)品種纖維品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由圖2-a可知, (1) 基于新疆棉花質(zhì)量抽檢的品種與纖維性狀兩向表及權(quán)重系數(shù)構(gòu)建的WGT雙標(biāo)圖前2個(gè)主成分解釋了總變異的86.6%, WGT雙標(biāo)圖的擬合度比GT雙標(biāo)圖提高了16.4%, 更加精確地表達(dá)了數(shù)據(jù)中的模式。(2) 新陸中64 (G35)、中棉113 (G51)、新陸早78 (G26)、新陸中40 (G31)、新陸中75 (G42)和兆豐28 (G50)等品種的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較高, 新陸早67 (G23)、新陸早54 (G18)、酒棉18號(hào)(G7)、新陸中78 (G43)和新陸中68 (G38)等品種的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)較差。(3)神牛18 (G13)、神牛17 (G12)、兆豐28 (G50)、新陸中58 (G33)、新陸中40 (G31)、中棉113 (G51)、新陸早42 (G16)和新陸中64 (G35) 等品種的性狀協(xié)調(diào)性較差, 新陸中81 (G45)、新陸中73 (G41)、新陸中87 (G49)、金墾108 (G6)、瑞雜818 (G10)、天豐67 (G15)、瑞雜820 (G11)、新陸中70 (G39)、新陸早84 (G28)、中棉96A (G52)、17-68 (G1)和新陸中78(G43)等品種的性狀協(xié)調(diào)性較好。由圖2-b可知, (1) 新陸中64 (G35)與理想品種的距離最近, 其纖維質(zhì)量指數(shù)最好; 新陸中64 (G35)、新陸早78 (G26)、新陸中66 (G36)、新陸中85 (G48)、巴43541 (G4)、新陸中75 (G42)、新陸中40 (G31)、兆豐28 (G50)和中棉113 (G51)等品種的纖維質(zhì)量指數(shù)較好; 神牛18 (G13)、新陸早67 (G23)、新陸早54 (G18)、神牛17 (G12)、新陸中78 (G43)、酒棉18號(hào)(G7)、新陸中68 (G38)和新陸中70 (G39)等品種的纖維質(zhì)量指數(shù)較差。(2) WGT雙標(biāo)圖也表達(dá)了品種與性狀的關(guān)系, 品種在性狀向量上的投影大小表達(dá)了其正向互作的大小。例如, 中棉113 (G51)的纖維長度、比強(qiáng)度和整齊度表現(xiàn)好, 而顏色級(jí)性狀表現(xiàn)較差; 神牛18 (G13)的纖維長度、比強(qiáng)度和整齊度表現(xiàn)差, 而顏色級(jí)性狀表現(xiàn)較好?？梢? WGT雙標(biāo)圖與GT雙標(biāo)圖相比解釋的變異比例更大, 雙標(biāo)圖模型擬合度更高, 結(jié)果也更加可靠。WGT雙標(biāo)圖“均值-穩(wěn)定性”功能圖和“理想品種”功能圖很好地直觀表達(dá)了棉花品質(zhì)綜合指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)性指數(shù)和質(zhì)量指數(shù), 同時(shí)也表達(dá)了品種與性狀的互作關(guān)系, 更適用于品種纖維品質(zhì)的多性狀直觀表達(dá)和綜合評(píng)價(jià)。

圖2 棉花品種纖維性狀WGT雙標(biāo)圖的“均值-穩(wěn)定性”功能圖(a)和“理想品種”功能圖(b)

LEN: 纖維長度; UNI: 整齊度; STR: 比強(qiáng)度; MIC: 馬克隆值; COL: 顏色級(jí)。大寫字母G后面的數(shù)字為品種編號(hào), 品種名稱同表1。性狀圖標(biāo)括號(hào)中的數(shù)據(jù)為權(quán)重, 如LEN (0.451)表示纖維長度的權(quán)重為0.451。PC1相當(dāng)于綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(CEI), PC2的絕對(duì)值相當(dāng)于性狀協(xié)調(diào)指數(shù)(TCI)。圖2-b中的同心圓圓心為理想品種坐標(biāo), 品種圖標(biāo)到圓心的歐氏距離表示離優(yōu)度指數(shù)DTI, 距離越小則纖維質(zhì)量指數(shù)越好。

LEN: fiber length; UNI: fiber length uniformity; STR: fiber strength; MIC: micronaire value; COL: fiber color grade. The capital G followed by numbers represents variety codes. Variety names are the same as those given in Table 1. The weight assigned to each trait is indicated in the parentheses. For example, LEN (0.451) indicates that the weight for fiber length is 0.451. The axes were rotated such that PC1 corresponds to the comprehensive evaluation index (CEI) and the absolute value of PC2 corresponds to the trait consistency index (TCI). The origin of concentric circles in Fig. 2-b is the ideal variety mark, and the Euclidean distance from the variety mark to the origin represents the distance to the ideal variety (DTI). The smaller the distance, the better the fiber quality index.

2.5 棉花質(zhì)量抽檢品種的分類評(píng)價(jià)

采用WGT雙標(biāo)圖分析了棉花質(zhì)量抽檢品種主要性狀的空間關(guān)系, 并基于WGT雙標(biāo)圖中品種間歐氏距離采用類平均法進(jìn)行品種聚類分析, 各品種的分類結(jié)果列于表1, 同時(shí)在WGT雙標(biāo)圖中用橢圓形區(qū)域標(biāo)識(shí)(圖3)各品種的類型(I型、II型、III型和IV型), 以直觀展示品種的品質(zhì)類型。由圖3可知, 52個(gè)棉花質(zhì)量抽檢品種可劃分為4個(gè)差異顯著的品種類型, 其中I型品種包括17-68 (G1)、新陸早78 (G26)、新陸中40 (G31)、新陸中64 (G35)、新陸中66 (G36)、巴43541 (G4)、新陸中75 (G42)、兆豐28 (G50)、魯泰19-1 (G8)和魯泰19-2 (G9)等10個(gè)品種; II型品種包括瑞雜820 (G11)、神牛17 (G12)、神牛18 (G13)、新陸早80 (G27)、新陸中58 (G33)、新陸中62 (G34)、新陸中67 (G37)、新陸中87 (G49)和冀雜708 (G5)等9個(gè)品種; IV型品種包括塔河2號(hào)(G14)、新陸早42 (G16)、新陸早49 (G17)、J206-5 (G2)、新陸早71 (G24)、新陸中71 (G40)、新陸中84 (G47)、新陸中85 (G48)和中棉113 (G51)等9個(gè)品種; 其余24個(gè)品種為III型(表1)。

各品種類型的性狀間差異顯著性檢測結(jié)果列于表4。I型品種綜合纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)最好, 其纖維長度、整齊度和比強(qiáng)度略差于IV型品種, 但差異不顯著; 顏色級(jí)、價(jià)格指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù)顯著好于其余品種類型; 馬克隆值表現(xiàn)中等, 與其余品種類型差異均不顯著; 性狀協(xié)調(diào)指數(shù)表現(xiàn)中等, 顯著差于III型品種, 與其余品種類型差異不顯著。II型品種的纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度和纖維質(zhì)量指數(shù)顯著差于其他品種類型; 馬克隆值、顏色級(jí)、價(jià)格指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和性狀協(xié)調(diào)指數(shù)表現(xiàn)中等。III型品種的性狀協(xié)調(diào)指數(shù)表現(xiàn)最好, 顯著優(yōu)于其他類型品種; 纖維長度、整齊度和比強(qiáng)度表現(xiàn)中等; 馬克隆值、顏色級(jí)、價(jià)格指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)最差。IV型品種的纖維長度、整齊度、比強(qiáng)度和馬克隆值表現(xiàn)最好, 價(jià)格指數(shù)、綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù)表現(xiàn)中等, 而顏色級(jí)表現(xiàn)最差?？傊? I型品種的纖維綜合表現(xiàn)最好; II型品種綜合表現(xiàn)較差; III型品種性狀協(xié)調(diào)指數(shù)表現(xiàn)最好, 其余性狀表現(xiàn)差; IV型品種顏色級(jí)表現(xiàn)差, 其余性狀表現(xiàn)較好。

圖3 棉花品種纖維性狀WGT雙標(biāo)圖的“品種聚類”功能圖

橢圓形虛線所包圍的品種為同一品種類型。I、II、III和IV表示品種類型。大寫字母G后面的數(shù)字為品種編號(hào), 品種名稱同表1。性狀縮寫同圖1。

The varieties surrounded by the oval dotted line are of the same breed type I, II, III, and IV stand for the four variety types, respectively. The uppercase G followed by the numbers represents variety code. Abbreviation of variety names are the same as those given in Table 1. Abbreviations of traits are the same as given in Fig. 1.

表4 基于WGT雙標(biāo)圖分析的棉花質(zhì)量抽檢品種的纖維性狀分類特征

同一行中標(biāo)有相同小寫字母的數(shù)據(jù)在0.05水平差異不顯著。Mean±SE為相應(yīng)品種類型的平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤。

Different lowercase letters in the same row indicate significantly different at the 0.05 probability level. The mean±SE stands for the mean and standard error.

3 討論

3.1 棉花纖維質(zhì)量指數(shù)模型構(gòu)建的性狀選擇與權(quán)重分配策略

隨著我國棉花生產(chǎn)形勢的變化和現(xiàn)代紡織工業(yè)對(duì)棉纖維適紡性能不斷提高的需求, 在對(duì)主產(chǎn)棉區(qū)棉花纖維品質(zhì)指標(biāo)廣泛抽樣分析的基礎(chǔ)上, 對(duì)主要纖維指標(biāo)及其協(xié)調(diào)性科學(xué)賦權(quán), 建立通用的纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù), 將有利于全面、客觀和適時(shí)地評(píng)價(jià)我國棉花纖維的總體質(zhì)量水平, 有利于科學(xué)引導(dǎo)棉花纖維品質(zhì)遺傳育種方向, 從而促進(jìn)國內(nèi)棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和國際市場競爭力的提升[16]。基于多性狀的品種選擇指數(shù)由于目標(biāo)性狀的選擇和權(quán)重賦值通常具有很強(qiáng)的主觀性, 很難在實(shí)踐中推廣應(yīng)用[7-8]。Blanche和Myers[8]提出的棉花品種選擇指數(shù)分別賦予棉花產(chǎn)量和纖維長度60%和40%的權(quán)重, 但未包括比強(qiáng)度和馬克隆值等其他重要的纖維品質(zhì)性狀。Baxevanos等[7]構(gòu)建的棉花品種選擇指數(shù)僅賦予比強(qiáng)度和纖維長度10%的權(quán)重, 賦予整齊度和伸長率5%的權(quán)重, 其性狀選擇與權(quán)重分配不盡合理。許乃銀和李健[9]依據(jù)我國棉花品種審定標(biāo)準(zhǔn)建立的纖維品質(zhì)性狀選擇指數(shù)分別賦予纖維長度、比強(qiáng)度和馬克隆值28.5%、43%和28.5%的權(quán)重, 該選擇指數(shù)的性狀和權(quán)重依據(jù)國家級(jí)棉花審定標(biāo)準(zhǔn)確定, 在棉花品質(zhì)育種上適用性較好, 但與棉花的品級(jí)及商品價(jià)格無關(guān), 不能體現(xiàn)各纖維品質(zhì)性狀對(duì)棉花商品價(jià)值的貢獻(xiàn)。作為大宗農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物, 棉花纖維質(zhì)量的綜合水平必然體現(xiàn)在其最終纖維產(chǎn)品的商品價(jià)值上, 綜合評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建的性狀選擇和權(quán)重分配應(yīng)當(dāng)以纖維品質(zhì)性狀對(duì)終端產(chǎn)品商品價(jià)值的實(shí)際貢獻(xiàn)率為基礎(chǔ)。本研究基于中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心于2019— 2021年在棉纖維質(zhì)量監(jiān)測行動(dòng)中抽檢的105,974個(gè)纖維樣品監(jiān)測數(shù)據(jù), 采用逐步回歸分析方法, 建立了10個(gè)纖維品質(zhì)性狀與價(jià)格指數(shù)的回歸模型, 確定了對(duì)棉纖維商品價(jià)值具有顯著作用的纖維品質(zhì)性狀分別為纖維長度、比強(qiáng)度、整齊度、馬克隆值和顏色級(jí), 相應(yīng)的其標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(即通徑系數(shù))分別為0.451、0.285、0.173、–0.117和–0.526。以逐步回歸模型的入選性狀及其通徑系數(shù)作為構(gòu)成因素和權(quán)重賦值建立的綜合評(píng)價(jià)指數(shù)對(duì)科學(xué)評(píng)價(jià)纖維質(zhì)量必然更加科學(xué)、客觀和合理。本研究提出的纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)(CEI)就是上述入選性狀和權(quán)重的加權(quán)平均值, 體現(xiàn)了各纖維性狀的綜合水平, 數(shù)值越大, 則綜合纖維品質(zhì)越好。另一方面, 棉纖維的適紡性能除了受纖維性狀綜合指數(shù)影響外, 還受到纖維指標(biāo)的協(xié)調(diào)性制約[1]。纖維指標(biāo)的協(xié)調(diào)性也就是各項(xiàng)纖維性狀水平的相對(duì)一致性, 適紡性能受“木桶效應(yīng)”的影響, 由個(gè)別指標(biāo)突出引起的高綜合指數(shù)與成紗質(zhì)量并不成比例。本研究以標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)加權(quán)性狀間的標(biāo)準(zhǔn)差為纖維性狀協(xié)調(diào)指數(shù)(TCI), 表達(dá)各性狀的協(xié)調(diào)水平,數(shù)值越小, 則品質(zhì)性狀間的協(xié)調(diào)性越好; 將綜合評(píng)價(jià)指數(shù)最高, 性狀協(xié)調(diào)指數(shù)最低的品種稱為“理想品種”, 其余品種與“理想品種”的歐氏距離稱為離優(yōu)度指數(shù)(DTI), 數(shù)值越小, 則品質(zhì)越理想; 將離優(yōu)度指數(shù)[0, 1]化, 并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)越大質(zhì)量越好, 就形成了纖維質(zhì)量指數(shù)(FQI)。本研究提出的纖維質(zhì)量指數(shù)同步考慮了纖維的多性狀加權(quán)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)和性狀間的協(xié)調(diào)指數(shù), 并可對(duì)纖維綜合指標(biāo)及其協(xié)調(diào)性賦權(quán), 可以全面、客觀和適時(shí)地評(píng)價(jià)我國棉花纖維的總體質(zhì)量水平, 有利于引導(dǎo)國內(nèi)棉花質(zhì)量的發(fā)展方向。

3.2 棉花纖維質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的可視化分析方法選擇

由于棉花纖維質(zhì)量受到多個(gè)纖維品質(zhì)性狀的共同影響, 性狀間存在著復(fù)雜的相互制約的相關(guān)關(guān)系[4], 纖維質(zhì)量指數(shù)可以表達(dá)纖維的綜合質(zhì)量水平, 但難以體現(xiàn)纖維性狀間的關(guān)系, 以及品種與性狀的互作模式。基于品種′性狀二維表構(gòu)建的GT雙標(biāo)圖[10,14], 可用于直觀表達(dá)纖維性狀間的相關(guān)模式。GT雙標(biāo)圖是在對(duì)品種′性狀數(shù)據(jù)表奇異值分解的基礎(chǔ)上[17], 將品種和性狀的前2個(gè)主成分(PC1和PC2)得分進(jìn)行奇異值分配和定標(biāo)處理后作為坐標(biāo)做出的散點(diǎn)圖。GT雙標(biāo)圖中各性狀向量的夾角表示性狀相關(guān)性大小, 夾角越大, 則相關(guān)性越弱[10,14]。由于GT雙標(biāo)圖中性狀向量的方向可能指向有利的方向, 也可能指向相反的方向, 同時(shí)不能對(duì)性狀進(jìn)行加權(quán)賦值, 因此GT雙標(biāo)圖無法對(duì)品種纖維品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 也不能表達(dá)纖維質(zhì)量指數(shù)。GYT雙標(biāo)圖方法是對(duì)GT雙標(biāo)圖的改良, 可以同步反映產(chǎn)量與性狀的組合水平, 適用于包含產(chǎn)量在內(nèi)的品種多性狀綜合選擇和綜合評(píng)價(jià)[2,4,12], 但不適合進(jìn)行纖維品質(zhì)性狀的綜合評(píng)價(jià)。為了實(shí)現(xiàn)纖維質(zhì)量指數(shù)的可視化分析, 本研究采用WGT雙標(biāo)圖方法, 通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和性狀加權(quán)的方法, 使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為越大越好的方向, 并用加權(quán)平均值表達(dá)纖維性狀綜合水平。在WGT雙標(biāo)圖的“均值-穩(wěn)定性”功能圖[3]中, 平均性狀軸(ATA)指向纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)大的方向; 通過原點(diǎn)垂直于ATA軸的縱軸(ATC)指向纖維協(xié)調(diào)性差的方向, 越接近于ATA軸, 則協(xié)調(diào)性越好, 各品種ATC軸坐標(biāo)的絕對(duì)值與協(xié)調(diào)指數(shù)成比例, ATC軸坐標(biāo)的符號(hào)表達(dá)與性狀的互作關(guān)系, 品種在性狀向量上的投影大小表達(dá)了其正向互作的大小。在WGT雙標(biāo)圖的“理想品種”功能圖[3]中, 各品種圖標(biāo)到“理想品種”的距離代表了離優(yōu)度指數(shù), 距離越小, 則纖維質(zhì)量指數(shù)越好。WGT雙標(biāo)圖可以全面表達(dá)了纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù), 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維質(zhì)量指數(shù)的可視化分析, 可以直觀地對(duì)品種進(jìn)行選擇和聚類分析。在WGT雙標(biāo)圖分析的基礎(chǔ)上, 本研究將2019—2021年纖維質(zhì)量監(jiān)測抽檢涉及的52個(gè)棉花主栽品種依據(jù)其纖維特性劃分為4個(gè)差異顯著的品種類型, 從而為棉花纖維質(zhì)量抽檢品種的綜合評(píng)價(jià)和合理利用提供理論依據(jù)和決策支持。

4 結(jié)論

采用逐步回歸分析的方法, 確定了纖維綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的構(gòu)成因子及權(quán)重賦值, 構(gòu)建了纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù), 依據(jù)質(zhì)量指數(shù)對(duì)抽檢的52個(gè)品種質(zhì)量進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。用WGT雙標(biāo)圖實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指數(shù)、性狀協(xié)調(diào)指數(shù)和纖維質(zhì)量指數(shù)的可視化分析, 并將纖維質(zhì)量監(jiān)測抽檢涉及的棉花品種劃分為特征明顯的4個(gè)品種類型。

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Construction of cotton fiber quality index and weighted genotype by trait (WGT) biplot analysis

XU Nai-Yin1, WANG Yang2, WANG Dan-Tao2, NING He-Jia2, YANG Xiao-Ni1, and QIAO Yin-Tao1

1Institute of Industrial Crops, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, Jiangsu, China;2China Fiber Quality Monitoring Center, Beijing 100007, China

Cotton fiber quality is determined by multiple fiber traits. Construction of a cotton fiber evaluation index is important for comprehensive and objective evaluation of cotton cultivars for their fiber quality. A cotton fiber quality index model was constructed based on the cotton fiber quality monitoring data collected by the China Fiber Quality Monitoring Center in the main cotton producing regions in Xinjiang during 2019–2021, and a weighted genotype by trait (WGT) biplot method was developed for visual evaluation of cotton cultivars for their fiber quality index (FQI) and trait profile. The results showed that (1) The key traits and assigned weights were fiber length (weight = 0.451, the same below), uniformity (0.173), strength (0.285), micronaire value (–0.117) and color grade ordination (–0.526), respectively. (2) The FQI was constructed based on fiber comprehensive evaluation index (CEI) and fiber trait consistency index (TCI), and the cotton cultivars classified as having superior FQI included Xinluzhong 64, Xinluzao 78, and Zhongmian 113, while Xinluzao 67, Xinluzao 54, Jiumian 18, and Xinluzhong were identified as poor in FQI. (3) WGT biplot was developed and used to graphically display the fiber quality comprehensive evaluation index, trait consistency index, and fiber quality index. (4) 52 cotton varieties sampled in the fiber quality monitoring action were clustered into four variety type groups. Cluster I was the best in almost all fiber traits, while cluster II was the worst in most traits. Cluster III showed best performance in fiber trait consistency index, but poor in other traits or indexes. Cluster IV was high in fiber color grade but low in other aspects. The methods and results reported in this research will provide a theoretical support for the construction of nationwide cotton fiber quality index model and serve as a model for other crops kinds.

cotton (L.); fiber quality index (FQI); genotype by trait (GT) biplot; weighted genotype by trait (WGT) biplot; stepwise regression analysis; clustering analysis

10.3724/SP.J.1006.2023.24118

本研究由中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心項(xiàng)目(ZQJ4-2021-040)資助。

This study was supported by the Project from China Fiber Quality Monitoring Center (ZQJ4-2021-040).

E-mail: naiyin@126.com

2022-05-13;

2022-09-05;

2022-09-13.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20220909.1831.002.html

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