基于多元統(tǒng)計分析的甘蔗新品系適應(yīng)性評價

郭強(qiáng)　莫建文　江清梅　何洪良　馬文清　莫勇武　唐利球

關(guān)鍵詞：甘蔗；新品系；主成分分析；聚類分析；適應(yīng)性

中圖分類號：S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

甘蔗品種或品系的綜合評價是育種工作的重要環(huán)節(jié)[1]。廣西作為我國最大的糖料蔗生產(chǎn)基地，蔗糖產(chǎn)量占全國蔗糖總產(chǎn)量的68%以上[2]；主栽品種以桂糖42 號和柳城05136 為主，品種結(jié)構(gòu)相對單一，經(jīng)過多年的栽培種植，桂糖42 號和柳城05136 均出現(xiàn)了種性退化的現(xiàn)象，黑穗病發(fā)病率高、宿根發(fā)株率低、缺株斷壟、產(chǎn)量下降等缺點逐漸顯現(xiàn)出來[3]，這將嚴(yán)重威脅到廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為解決甘蔗品種更新?lián)Q代問題，需不斷地選育出高產(chǎn)高糖、抗逆性強(qiáng)、宿根性好的甘蔗新品種，并進(jìn)行適應(yīng)性評價，篩選出適應(yīng)不同種植區(qū)域的甘蔗優(yōu)良品種，逐步取代種性退化的主栽品種。

近年來，國內(nèi)自育的甘蔗新品種越來越多，為及時篩選出適應(yīng)性較好的甘蔗新品種，專家學(xué)者進(jìn)行了大量的區(qū)域試驗，同時也篩選出了一些綜合表現(xiàn)較好的甘蔗新品種。梁強(qiáng)等[4] 于2012—2013 年選取13 個甘蔗新品系進(jìn)行廣西區(qū)域試驗，發(fā)現(xiàn)桂糖04-1545、柳糖07-95、桂糖05-1141 和桂糖04-1045 等4 個品系綜合表現(xiàn)較好。李佳慧等[5]于2016—2017 年在廣西防城港對9 個甘蔗新品系進(jìn)行區(qū)域比較試驗，初步表明桂熱2 號、柳城05136 和桂糖46 號在防城港蔗區(qū)表現(xiàn)良好。郭強(qiáng)等[6]于2017—2020 年在崇左蔗區(qū)引進(jìn)10 個甘蔗品系進(jìn)行區(qū)域試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)桂糖09-563、桂糖08-591、SP80-3280、桂糖09-3990 和桂糖08-1045 等5 個品系綜合表現(xiàn)較好。王小明等[7]在來賓蔗區(qū)對5 個優(yōu)良新品種采取小區(qū)試驗與大田示范相結(jié)合的評價方法，篩選出了桂柳05136、福農(nóng)41 號和桂糖49 號等3 個表現(xiàn)優(yōu)良的甘蔗新品種。孫玉勇等[8] 利用DTOOSIS 法對9 個甘蔗新品種進(jìn)行綜合評價，結(jié)果發(fā)現(xiàn)福農(nóng)1110、柳城03-1137、粵甘39 號、桂糖32 號、云蔗05-49、粵甘42 號和桂糖31 號等7 個新品種綜合表現(xiàn)優(yōu)良，可在桂北地區(qū)進(jìn)一步示范推廣。

作物優(yōu)良品種綜合評價方法很多，研究人員利用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法對多種作物[9-11]進(jìn)行了綜合評價，應(yīng)用于甘蔗綜合評價方面也有相關(guān)報道。趙勇等[12]利用主成分分析和聚類分析對86 份甘蔗種質(zhì)資源工藝性狀進(jìn)行了評價；周會等[13]利用主成分分析和聚類分析對桂糖系列甘蔗種質(zhì)資源數(shù)量性狀進(jìn)行了評價；蔣洪濤等[14]利用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法對甘蔗新品系的抗旱性進(jìn)行了評價。本研究利用主成分分析和聚類分析等多元統(tǒng)計分析方法對29 個甘蔗新品系的株高、莖徑、有效莖數(shù)、單莖重、蔗莖產(chǎn)量、黑穗病率、蔗糖分、蔗汁重力純度、纖維份和產(chǎn)糖量等10 個性狀指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，以期篩選出綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的甘蔗新品系，為下一步進(jìn)行區(qū)域試驗和大田示范提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

參試甘蔗品系共29 個，其中廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所選育品系22 個（桂糖13-1154、桂糖12-228、桂糖13-1044、桂糖12-284、桂糖16-1136、桂糖17-234、桂糖16-151、桂糖16-384、桂糖17-634、桂糖16-5331、桂糖15-496、桂糖17-910、桂糖15-516、桂糖15-1074、桂糖17-929、桂糖17-1259、桂糖14-818、桂糖15-1131、桂糖17-232、桂糖16-5274、桂糖16-1232、桂糖16-354）；柳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育品系1 個（柳糖16-276）；河池市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育品系3個（河糖14-4、河糖14-8、河糖15-5）；百色市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育品系2 個（百蔗15-704、百蔗15-869）；廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所選育品系1 個（桂南蔗151505）。以桂糖42 號和新臺糖22 號為對照。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，6 行小區(qū)，行距1.2 m，行長8 m，小區(qū)面積57.6 m2，四周設(shè)保護(hù)行，重復(fù)間走道寬1.5 m，下種量為100 000 芽/hm2，雙芽段蔗種，雙行“品”

字形擺放。試驗于2021 年3 月種植，田間管理按當(dāng)?shù)胤N植管理方法進(jìn)行。

1.2.2 測定項目病害調(diào)查：2021 年10 月進(jìn)行黑穗病的調(diào)查，每小區(qū)選取第3 行調(diào)查全部植株數(shù)和發(fā)病植株數(shù)；農(nóng)藝性狀測定：甘蔗成熟期每個小區(qū)選取連續(xù)15 株甘蔗進(jìn)行單莖重、株高和莖徑的測量，調(diào)查小區(qū)有效莖數(shù)和產(chǎn)量；工藝性狀測定：2021 年11 月至次年1 月取樣化驗分析糖分，每個品系選取6 株健康甘蔗，采用二次旋光法測定甘蔗糖分、重力純度和纖維分。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2010 軟件進(jìn)行原始數(shù)據(jù)整理，利用SSPS 20.0 軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析和判別分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試材料性狀的變異情況及相關(guān)性分析

調(diào)查表明（表1），31 個甘蔗品種（系）的性狀差異明顯，變異系數(shù)在3.52%～184.52%之間，其中黑穗病率變異系數(shù)最大，達(dá)到184.52%，說明黑穗病率變異程度非常大；其次是蔗莖產(chǎn)量、產(chǎn)糖量、有效莖數(shù)和單莖重，變異系數(shù)分別為19.92%、19.55%、17.89%、14.49%，變異程度也比較大；其他5 個性狀變異系數(shù)均小于10%，說明這5 個性狀變異程度較低。

10個性狀的相關(guān)性分析結(jié)果（表2）表明，株高與單莖重和產(chǎn)糖量呈顯著正相關(guān)，與蔗莖產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，說明株高越長，大多數(shù)甘蔗品種（系）單莖重、產(chǎn)糖量和蔗莖產(chǎn)量越高；莖徑與單莖重呈極顯著正相關(guān)，與蔗莖產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說明莖徑越大，大多數(shù)甘蔗品種（系）單莖重和蔗莖產(chǎn)量越高；有效莖數(shù)與莖徑、單莖重呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明有效莖數(shù)多的甘蔗品種，大多數(shù)莖徑偏小，單莖重偏低；產(chǎn)糖量與蔗莖產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與蔗糖分呈正相關(guān)，說明產(chǎn)糖量與蔗莖產(chǎn)量的相關(guān)性比與蔗糖分密切；黑穗病率與蔗莖產(chǎn)量、株高、莖徑呈正相關(guān)，但不顯著，說明黑穗病發(fā)病率對蔗莖產(chǎn)量、株高和莖徑影響不大，與蔗糖分和蔗汁重力純度呈極顯著負(fù)相關(guān)，說明黑穗病發(fā)病率越高，大多數(shù)甘蔗品種（系）蔗糖分和蔗汁重力純度明顯下降，說明黑穗病發(fā)病程度嚴(yán)重影響到甘蔗的品質(zhì)；蔗糖分與蔗汁重力純度呈極顯著正相關(guān)，說明蔗糖分越高，蔗汁重力純度也越高。

2.2 參試材料性狀的主成分分析

以特征值大于1.0 為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分結(jié)果表明（表3），10 個性狀指標(biāo)的主要信息集中在前4個主成分中，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到85.019%，說明這4個主成分基本可以代表原始變量的大部分信息。第1 主成分的特征值為3.212，方差貢獻(xiàn)率為32.118%，作用較大的性狀包括蔗莖產(chǎn)量（0.698）、莖徑（0.685）、單莖重（0.681）、株高（0.657）、蔗汁重力純度（-0.623）、蔗糖分（-0.607）和黑穗病率（0.569），主要反映產(chǎn)量-品質(zhì)-病害性狀，其中蔗糖分和蔗汁重力純度的特征向量值為負(fù)值，說明植株高大、產(chǎn)量較高、黑穗病發(fā)病較嚴(yán)重的品種，甘蔗品質(zhì)往往較差，蔗糖分和蔗汁重力純度偏低；第2 主成分的特征值為2.209，方差貢獻(xiàn)率為22.092%，作用較大的性狀包括產(chǎn)糖量（0.872）、蔗莖產(chǎn)量（0.682）、有效莖數(shù)（0.640），主要反映產(chǎn)糖量-產(chǎn)量性狀；第3 主成分的特征值為1.875，方差貢獻(xiàn)率為18.746%，作用較大的性狀包括蔗糖分（ 0.628 ）、蔗汁重力純度（0.595）、單莖重（0.556）和莖徑（0.550），主要反映品質(zhì)-莖徑性狀；第4 主成分的特征值為1.206，方差貢獻(xiàn)率為12.063%，作用較大的性狀是纖維分（0.915），主要反映纖維分性狀。

2.3 參試材料性狀的聚類與判別分析

依據(jù)主成分分析結(jié)果采用歐氏距離、離差平方和法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，歐氏距離為8 處可將31 個甘蔗品種（系）劃分為5 個類群（圖1），同時計算各類群各性狀的平均值（表4）。第Ⅰ類群包括6 個甘蔗品系，該類群屬于矮小品種，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較差，蔗莖產(chǎn)量較低，黑穗病發(fā)病率較低，蔗糖分、蔗汁重力純度和纖維分最高，品質(zhì)性狀最好，產(chǎn)糖量較高。第Ⅱ類群包括10 個甘蔗品系，屬于矮小品種，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最差，蔗莖產(chǎn)量中等，黑穗病發(fā)病率中等，蔗糖分較低，品質(zhì)性狀較差，產(chǎn)糖量較低。第Ⅲ類群包括5 個甘蔗品系，屬于中大莖品種，蔗莖產(chǎn)量最高，農(nóng)藝性狀較好，黑穗病發(fā)病率最低，蔗糖分較高，品質(zhì)性狀較好，產(chǎn)糖量最高。第Ⅳ類群包括4 個甘蔗品系，屬于中大莖品種，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較好，蔗莖產(chǎn)量較高，但黑穗病發(fā)病率最高，蔗糖分最低，品質(zhì)性狀最差，產(chǎn)糖量中等。第Ⅴ類群包括6 個甘蔗品系，屬于中大莖品種，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較好，蔗莖產(chǎn)量最低，黑穗病發(fā)病率中等，蔗糖分中等，品質(zhì)性狀中等，產(chǎn)糖量最低。

為了鑒別聚類結(jié)果可靠性，采用多類逐步判別法對其進(jìn)行判別。結(jié)果表明（表5），各類群判對概率均為100%，證明聚類結(jié)果正確。

3 討論

本研究采用多元統(tǒng)計分析方法對29 個甘蔗新品系進(jìn)行適應(yīng)性綜合評價。通過分析各指標(biāo)的變異程度發(fā)現(xiàn)，黑穗病的變異系數(shù)最大，據(jù)郭強(qiáng)等[3]研究報道表明，大多數(shù)甘蔗品種新植蔗黑穗病發(fā)病率比較低，但也有少部分高感黑穗病的甘蔗品種新植蔗發(fā)病同樣非常嚴(yán)重[15]，本研究中大部分品系黑穗病發(fā)病率均比較低，有7 個品系不發(fā)病，但也有少數(shù)幾個品系發(fā)病率在30%以上，最高的甚至達(dá)到42.53%，證明黑穗病變化的多樣性來源于品種間的差異，導(dǎo)致了黑穗病發(fā)病率的變異程度比較大；其次是蔗莖產(chǎn)量、產(chǎn)糖量、有效莖數(shù)和單莖重變異程度也比較大。相關(guān)性分析結(jié)果表明，蔗莖產(chǎn)量與株高、產(chǎn)糖量呈極顯著正相關(guān)；黑穗病率與蔗莖產(chǎn)量、株高、莖徑呈正相關(guān)，與蔗糖分和蔗汁重力純度呈極顯著負(fù)相關(guān)，據(jù)楊榮仲等[16]研究結(jié)果表明，黑穗病的發(fā)生與甘蔗株高、莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量等無顯著相關(guān)性，對甘蔗產(chǎn)量無顯著影響，這與本研究結(jié)果一致，造成這一結(jié)果主要是由于黑穗病發(fā)病集中于下半年，此時甘蔗逐步開始進(jìn)入工藝成熟階段，而且大多數(shù)黑穗病鞭從側(cè)芽長出，這對甘蔗株高、莖徑、產(chǎn)量影響不大，但會對蔗糖分的轉(zhuǎn)化造成嚴(yán)重影響，因此黑穗病發(fā)病嚴(yán)重的甘蔗品種，蔗糖分和蔗汁重力純度比較低。主成分分析法是通過降維的方式，將作物各性狀間復(fù)雜的關(guān)系轉(zhuǎn)化為較少的幾個主成分，既能排除原指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系的干擾，又能把握其綜合性狀的表現(xiàn)，更具科學(xué)性[17]。本研究將10 個性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，得出前4 個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)到85.019%，其中第 1 主成分與產(chǎn)量-品質(zhì)-病害性狀有關(guān)，第2主成分與產(chǎn)糖量-產(chǎn)量性狀有關(guān)，第3 主成分與品質(zhì)-莖徑性狀有關(guān)，第4 主成分與纖維份有關(guān)。最后通過系統(tǒng)聚類分析法將31 個甘蔗品系分為5個類群，第Ⅰ類群黑穗病發(fā)病率較低，蔗糖分、蔗汁重力純度和纖維分最高，品質(zhì)性狀最好，產(chǎn)糖量較高；第Ⅱ類群農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最差，蔗糖分較低，品質(zhì)性狀較差，產(chǎn)糖量較低；第Ⅲ類群蔗莖產(chǎn)量最高，農(nóng)藝性狀較好，黑穗病發(fā)病率最低，蔗糖分較高，品質(zhì)性狀較好，產(chǎn)糖量最高；第Ⅳ類群農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較好，蔗莖產(chǎn)量較高，但黑穗病發(fā)病率最高，蔗糖分最低，品質(zhì)性狀最差，產(chǎn)糖量中等；第Ⅴ類群農(nóng)藝性狀表現(xiàn)較好，蔗莖產(chǎn)量最低，黑穗病發(fā)病率中等，蔗糖分中等，品質(zhì)性狀中等，產(chǎn)糖量最低。甘蔗選育種的重要目標(biāo)是要選育出具有高產(chǎn)、高糖、抗逆性強(qiáng)等特征的新品種，但在實際生產(chǎn)中，很少有甘蔗品種同時具備高產(chǎn)高糖、抗逆性強(qiáng)的特征[4]。因此，根據(jù)聚類分析結(jié)果初步篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)良的第Ⅲ類群中的5 個品系，包括桂南蔗151505、桂糖17-232、桂糖13-1154、桂糖17-929、桂糖16-151，為下一步進(jìn)行區(qū)域試驗和大田示范做準(zhǔn)備。針對第Ⅰ類群中的6 個品系，包括河糖15-5、桂糖15-1074、桂糖15-1131、桂糖13-1044、桂糖12-284和桂糖17-910 等，蔗糖分最高，黑穗病發(fā)病率低，但蔗莖產(chǎn)量較低，不利于推廣種植，因此可作為高糖、抗黑穗病親本加以利用。