高粱F2群體株型性狀的主成分分析和綜合評價(jià)

張曠野,王佳旭,柯福來,張 飛,朱 凱,王艷秋

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所,遼寧 沈陽 110161)

高粱起源于貧瘠的非洲大陸,作為 C4作物,具有光合效率高,增產(chǎn)潛力大的特點(diǎn),且高粱用途廣泛,兼具食用,飼用,釀造,能源,加工等多種用途[1]。高粱釀酒業(yè)是我國的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè),隨著白酒新國標(biāo)的頒布,我國對釀造高粱的需求將大大增加[2]。雖然經(jīng)過多年的遺傳改良,除個(gè)別地區(qū)外,高粱已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了矮稈化,但是目前高粱株型仍然存在許多問題,例如雖然植株高度降低,但是葉片數(shù)沒有減少,且葉片肥大,葉面積分布不合理,導(dǎo)致群體郁閉,影響光合能力、通風(fēng)性以及抗病能力,此外還存在柄伸長度過短,穗柄長度過長等影響機(jī)械化收獲的問題,大大影響了高粱的生產(chǎn)水平和農(nóng)民的種植意愿。因此,急需培育株型合理、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且適宜機(jī)械化的突破性新品種[3~6]。

主成分分析可以通過將多個(gè)農(nóng)藝性狀降維后分析特征表現(xiàn),進(jìn)而分析各因素的重要性。目前,主成分分析已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到作物的抗病性、株型、逆境耐受性以及引種的評價(jià)研究中。例如,俞華先等(2021)利用主成分分析的綜合評價(jià)方法對云南甘蔗細(xì)莖野生種F2群體中45個(gè)家系進(jìn)行了主要農(nóng)藝性狀的評價(jià),從中篩選出7個(gè)優(yōu)良種質(zhì)用于后續(xù)的育種工作[7]。郗小倩等(2022)對10個(gè)玉米品種的綜合抗病性進(jìn)行綜合評價(jià),結(jié)果表明,太育184的綜合抗性最高[8]。在高粱株型方面,趙欣蕊等(2022)對來自國內(nèi)不同地區(qū)的371份國內(nèi)高粱種質(zhì)資源的株型性狀進(jìn)行綜合評價(jià),發(fā)現(xiàn)選103、京選1號、44F和714R等30個(gè)優(yōu)異種質(zhì)資源[9]。喬婧等(2019)對20份利用高粱的株型、穗型和產(chǎn)量等相關(guān)性狀進(jìn)行了主成分和相關(guān)性分析,明確了不同性狀間的關(guān)聯(lián)性和重要程度[10]。在高粱中,主成分分析方法的應(yīng)用比較廣泛的另一個(gè)研究方向是耐鹽性的鑒定,已篩選出一批耐鹽性優(yōu)異的種質(zhì)資源品系(品種)[11~16],為高粱的耐鹽育種提供了重要的理論依據(jù)。

本研究對以優(yōu)良恢復(fù)系7037和矮四為親本構(gòu)建的高粱F2群體為試材,通過主成分分析和聚類分析對7個(gè)株型相關(guān)性狀(葉面積,葉片數(shù),株高,穗長,柄伸長度,穗柄長度以及第一到第二葉距離)進(jìn)行綜合評價(jià),旨在為高粱理想株型品種的選育提供理論依據(jù)和材料基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為以高粱骨干恢復(fù)系7037和矮四為親本構(gòu)建的F2群體。于2019年通過對兩個(gè)親本進(jìn)行去雄雜交獲得F1代種子后。F1代經(jīng)過自交繁種獲得F2代群體種子。F2群體包含單株約1 000株,從中篩選出 81個(gè)株型優(yōu)異或極端的家系做為主要分析對象。

1.2 田間種植方式

2021年5 月于遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田(123.56°E,41.82°N)種植兩親本及 F2分離群體,四行區(qū),行距0.6 m,株距0.2 m,小區(qū)種植面積2.4 m2,雙親各 3次重復(fù)。當(dāng)?shù)?021年5~10月平均氣溫為19.15℃,活動(dòng)積溫為3 423.5℃,有效積溫為 1 743.5℃,總降雨量為560.4 mm,總?cè)照諘r(shí)數(shù)為1 050 h。前茬作物為野生大豆。土壤類型為沙壤土。常規(guī)栽培管理。

1.3 性狀調(diào)查方法

于灌漿期開始調(diào)查F2分離群體的葉面積(Leaf Area,LA),全株葉片數(shù)(Number of leaves,LN),株高(Plant Heigth,PH),穗長(Spike Length,SL),柄伸長度(Exsertion Length,EL),穗柄長度(Peduncle Length,PL)和第一到第二葉距離(First leaf to Second leaf Length,FtSL)。各性狀的詳細(xì)調(diào)查方法如下:

葉面積:用直尺分別測量全株葉片的葉長,葉寬(葉片最寬處寬度),通過計(jì)算得到葉面積(葉面積=葉寬×葉長×0.75[17]),并將全株葉片的葉面積平均值做為該家系的葉面積表型值。

全株葉片數(shù):分別在五葉期,八葉期,大喇叭口期以及抽穗期用紅色油漆對第五,第八,第十二葉和第十六片葉進(jìn)行標(biāo)記,統(tǒng)計(jì)葉片數(shù)。

株高和穗長:利用塔尺分別測量穗頂?shù)降乇?穗基部的長度。

柄伸長度,穗柄長度:利用直尺分別測量穗基部到旗葉基部和上數(shù)第一節(jié)間的長度。

第一到第二葉距離:利用直尺測量旗葉基部到上數(shù)第二葉基部的長度。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel軟件對株型相關(guān)性狀的表型值進(jìn)行基礎(chǔ)的整理,利用SPSS 24軟件進(jìn)行基礎(chǔ)分析、相關(guān)性分析(相關(guān)系數(shù):皮爾遜;顯著性檢驗(yàn):雙尾檢驗(yàn)),主成分分析和聚類分析等,利用GraphPad Prism 8軟件繪制表型小提琴圖和相關(guān)性熱圖。

2 結(jié)果分析

2.1 F 2群體的株型性狀表現(xiàn)

兩親本F2分離群體的株型性狀表現(xiàn)如圖1所示,由圖1可知兩親本7037和矮四的葉面積平均值分別為455.6 cm2和527.8 cm2,F2群體的葉面積平均數(shù)介于兩親本之間,為522.8 cm2,表現(xiàn)為不完全顯性,變異系數(shù)分別為12.9%。葉片數(shù)方面,7037和矮四的葉片數(shù)分別為19和16.5,F2群體的葉片數(shù)平均值為20.3,表現(xiàn)出一定的超親優(yōu)勢,親本和群體的變異系數(shù)均較小。兩親本的株高為181.6 cm(7037)和140.9 cm(矮四),群體株高平均數(shù)為163.5 cm,表現(xiàn)為中親優(yōu)勢,兩親本的變異系數(shù)較小,群體株高的變異系數(shù)略大于兩親本,為15.4%。穗長、柄伸長度和第一到第二葉距離三個(gè)性狀的群體平均值均同樣介于兩親本之間,均表現(xiàn)為不完全顯性。穗柄長度方面,7037和矮四分別為24.6 cm和20.9 cm,群體穗柄長度存在超高親遺傳現(xiàn)象,為25.1 cm。由以上結(jié)果可看出,F2群體中7個(gè)株型相關(guān)性狀的變異廣泛、豐富,群體內(nèi)各家系間存在差異性,存在可以利用的株型優(yōu)勢家系。

圖1 雙親及F 2群體的株型性狀表現(xiàn)

2.2 分離群體株型性狀相關(guān)性分析

F2群體中葉面積與穗長之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.220,p=0.048),與柄伸長度和穗柄長度之間均存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為~0.381(p=0)和~0.387(p=0);第一到第二葉距離與葉片數(shù)、株高和穗柄長度間存在顯著或極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為 0.275(p=0.013),0.535(p=0)和 0.687(p=0);穗柄長度與株高和柄伸長度間均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.591(p=0)和0.748(p=0);柄伸長度與葉片數(shù)間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(r=-0.225,p=0.043),與株高存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系(r=0.325,p=0.003);另外株高與葉片數(shù)和穗長間,均存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)系數(shù)分別為0.288(p=0.009)和0.286(p=0.010)。由以上結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),F2群體中株型相關(guān)形狀間的相關(guān)性結(jié)果復(fù)雜,不利于直接進(jìn)行評價(jià),為了降低評價(jià)的重疊性和提高評價(jià)準(zhǔn)確性和評價(jià)效率,有必要對其進(jìn)行主成分分析。

圖2 F 2群體株型性狀間的相關(guān)性分析

2.3 主成分分析

對F2群體的株型相關(guān)性狀進(jìn)行主成分分析,特征值、特征向量、因子方差貢獻(xiàn)率和因子方差累計(jì)貢獻(xiàn)率結(jié)果如表1所示。根據(jù)因子累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的原則[18~19],選取前4個(gè)因子作為株型性狀的公共因子,4個(gè)公共因子累計(jì)貢獻(xiàn)率為86.9%。其中第一個(gè)公共因子特征值為2.722,貢獻(xiàn)率為 38.9%,主要反映穗柄長度、株高、第1到第 2葉距離和柄伸長度,特征向量分別為0.576,0.464,0.428和 0.400,稱其為株高因子。第 2個(gè)公共因子特征值為1.653,貢獻(xiàn)率為23.6%,主要反應(yīng)葉片數(shù)、穗長和柄伸長度,特征向量分別為0.518,0.504和-0.436,稱其為適宜機(jī)械化因子,第3個(gè)公共因子特征值為0.974,貢獻(xiàn)率為13.9%,主要反應(yīng)穗長(0.627)、葉片數(shù)(-0.534)和葉面積(0.389),稱其為光合能力因子。第4個(gè)公共因子的特征值為0.734,貢獻(xiàn)率為 10.5%,主要反應(yīng)葉面積(0.593),稱其為葉面積因子。

表1 F 2群體株型性狀主成分分析結(jié)果

利用公共因子特征向量除以相應(yīng)的特征值得到各公共因子得分系數(shù)矩陣,結(jié)果如表2所示,根據(jù)公共因子得分矩陣,得到F2群體的4個(gè)公共因子的得分線性方程為:

表2 得分矩陣

S1=-0.116X1+0.038X2+0.170X3+0.003X4+0.147X5+0.211X6+0.157X7

S2=0.181X1+0.313X2+0.179X3+0.305X4-0.264X5-0.065X6+0.191X7

S3=0.400X1-0.549X2+0.172X3+0.644X4+0.316X5+0.098X6-0.199X7

S4=0.807X1-0.439X2-0.194X3-0.522X4-0.247X5+0.310X6+0.737X7

其中S1~S4代表公共因子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ得分,X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分別表示葉面積、葉片數(shù)、株高、穗長、柄伸長度、穗柄長度以及第一到第二葉距離的表型值。

2.4 高粱株型性狀綜合評價(jià)

利用線性方程計(jì)算F2群體的主成分得分,并以各公共因子的貢獻(xiàn)率維權(quán)重,建立F2群體的各家系株型性狀綜合得分?jǐn)?shù)學(xué)模型如下:

St=0.389S1+0.236S2+0.139S3+0.105S4

綜合得分前10%的家系的公共因子得分和綜合得分如表3所示。表中8個(gè)家系的綜合得分較高,株型性狀總體來看較為優(yōu)異,8個(gè)家系的平均葉面積、葉片數(shù)、株高、穗長、柄伸長度、穗柄長度和第一到第二葉距離分別為612.9 cm2,20.9,172.1 cm,26.5 cm,4.1 cm,25.9 cm和21.8 cm。其中家系32的綜合得分最高,為117.3,第Ⅰ到第Ⅳ公共因子得分分別為-36.5,164.8,294.5和492.0。其次依次為家系1、家系50、家系78和家系54。

表3 F 2群體部分家系主成分得分和綜合得分

2.5 聚類分析

對82份高粱F2家系的4個(gè)加權(quán)后的公共因子進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后,采用組間連接方法進(jìn)行聚類分析,當(dāng)平方歐式距離在9時(shí)可以將82份材料為3個(gè)類群,結(jié)果如圖3所示。其中類群 I、II和III分別包含35、39和7個(gè)家系。

圖3 82份品系的聚類分析

3個(gè)類群中家系各株型相關(guān)性狀的平均值如表4所示。

表4 不同類群株型相關(guān)性性狀平均值

3個(gè)類群在葉片數(shù)、株高和第一到第二葉距離方面沒有顯著性差異。但是在葉面積方面,3個(gè)類群的差異顯著,其中類群Ⅱ的葉面積最大,為578.58 cm2,其次為類群Ⅰ(488.70 cm2),類群Ⅲ的葉面積最小(382.45 cm2)。穗長方面,3個(gè)類群從大到小依次為類群Ⅱ(24.54 cm)、類群Ⅰ(23.49 cm)和類群Ⅲ(21.14 cm),其中類群Ⅱ顯著大于類群Ⅲ,類群Ⅰ的穗長與其他兩個(gè)類群沒有顯著性差異。柄伸長度和穗柄長度的規(guī)律相符,均為類群Ⅲ最大,類群Ⅰ次之,類群Ⅱ最小,其中類群Ⅲ的柄伸長度和穗柄長度顯著高于類群Ⅱ,但是類群Ⅰ的柄伸長度和穗柄長度與其他兩個(gè)類群間均沒有顯著性差異。

綜上所述,在葉片數(shù)、株高和第一到第二葉距離方面相似的情況下,類群Ⅰ葉面積、穗長、柄伸長度和穗柄長度均適中,株型較為優(yōu)異,是以后進(jìn)行理想株型育種的重要備選材料;類群Ⅱ存在葉面積較大、柄伸長度和穗柄長度較小等影響機(jī)械化作業(yè)的問題,但是由于其穗長較長,產(chǎn)量潛力相對較高,且雖然類群Ⅱ的株型較差,但類群Ⅱ中的部分極端材料仍然是以后重要株型性狀相關(guān)基因發(fā)掘工作中的材料來源;類群Ⅲ中的7個(gè)份材料的葉面積較小,柄伸長度和穗柄長度較大,雖然有利于機(jī)械化收獲,但是其產(chǎn)量潛力相對較低,所以在以后的株型育種中可以做為性狀改良的重要來源。

3 結(jié)論與討論

群體遺傳多樣性是高粱遺傳育種的重要基礎(chǔ),在育種事件中通過去雄雜交構(gòu)建分離群體,從中篩選優(yōu)良單株進(jìn)行純化,是高粱創(chuàng)制新品系的重要方法之一,其最終目的是產(chǎn)生含有各種變異類型的雜種后代群體,而對變異類型的識別和選擇是最后育成符合育種目標(biāo)新品種的關(guān)鍵[21]。但是,高粱株型育種中,往往需要兼顧許多性狀,在F2代鑒定時(shí)需要投入大量的人工和時(shí)間[22~23],而由于經(jīng)驗(yàn)和選擇標(biāo)準(zhǔn)的差異,在選擇的過程中通常達(dá)不到理想的效果。所以對F2分離群體的株型性狀進(jìn)行綜合分析和評價(jià),在高粱株型育種實(shí)踐中具有非常重要的指導(dǎo)意義[24]。而通過主成分分析方法,能夠較為全面且綜合的了解高粱株型性狀的主成分構(gòu)成及其特征和生物學(xué)意義,提高篩選優(yōu)異株型品系的準(zhǔn)確性,減少田間工作量,加快工作效率[25]。

高粱株型性狀多為復(fù)雜的數(shù)量性狀,且根據(jù)育種經(jīng)驗(yàn),往往不同株型性狀多存在緊密的遺傳連鎖關(guān)系,基于以上問題,本文通過表型分析、綜合評價(jià)以及聚類分析等方法對以恢復(fù)系7037和矮四為親本構(gòu)建的高粱F2分離群體的株型進(jìn)行綜合評價(jià),發(fā)現(xiàn)F2群體中7個(gè)株型性狀的變異豐富,且性狀間相關(guān)關(guān)系復(fù)雜,不同性狀間可能存在復(fù)雜的遺傳連鎖關(guān)系,這導(dǎo)致對單一性狀的改良將極大可能影響其他性狀,故而通過因子降維和主成分分析等手段,將7個(gè)株型相關(guān)性狀分解為株高因子、適宜機(jī)械化因子、光合能力因子、葉面積因子4個(gè)主成分,避免了原始性狀變量間的多重線性關(guān)系,大大提高了株型評價(jià)篩選的準(zhǔn)確性和效率。4個(gè)公共因子中,第一公共因子為株高因子,貢獻(xiàn)率為38.9%,說明株高因子為株型的最重要影響因素,在以后的株型育種工作中應(yīng)該首先考慮后代品系的株高因子,與趙欣蕊等的研究結(jié)果相符[9]。在本研究中的株高因子不僅包括單純的株高性狀,還包括柄伸長度、穗柄長度以及第一到第二葉距離等3個(gè)指標(biāo),這3個(gè)指標(biāo)同樣是高粱理想株型的主要組成,長柄伸有利于機(jī)械化收獲的整齊性,減少收獲過程中的籽粒損耗,同時(shí)也利于穗部的受光姿態(tài)和空氣交流,降低穗部濕度,減少穗部霉病的發(fā)生,從而增加籽粒的充實(shí)度及千粒重[26~28]。另外F2群體中各家系晉代為后續(xù)的育種純系也往往需要大量的人力,物力和時(shí)間成本,所以為了加快選擇進(jìn)程,以加權(quán)后主成分得分為決定因子對82份F2代家系進(jìn)行聚類分析,得到在以后株型育種中潛力較高的家系35份,做為后續(xù)的重點(diǎn)關(guān)注對象。該研究為高粱的理想株型育種提供了理論依據(jù),并為株型突破性新品種的選育提供了重要的材料基礎(chǔ)。