基于主成分分析的干籽粒豌豆適應(yīng)性評價研究

唐 義 何友勛 葛平珍 趙 龍 余 娟 張時龍

（畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，貴州畢節(jié) 551700）

豌豆（Pisum sativumL.）又叫淮豆、荷蘭豆、青豆，原產(chǎn)于亞洲西部和地中海，是第二大食用豆類作物，耐寒性和適應(yīng)性均較強(qiáng)，可食用器官多樣化[1]，是重要的糧蔬飼肥兼用的作物。當(dāng)前豌豆主要以鮮籽粒豌豆（食用鮮籽粒）、莢用豌豆（食用豌豆莢）、豌豆尖（食用豌豆嫩梢和嫩莖葉）、干籽粒豌豆、綠肥豌豆為主[2]。貴州省農(nóng)戶有種植豌豆習(xí)慣，如龍里縣豌豆尖（農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志產(chǎn)品）[3]、黔西北山區(qū)引種半無葉豌豆[4]。當(dāng)前貴州省豌豆品種混雜、傳統(tǒng)自留品種品質(zhì)退化且產(chǎn)量低，已不能滿足種植戶和市場的需求，引進(jìn)或培育適應(yīng)性好、農(nóng)藝性狀良好、產(chǎn)量及品質(zhì)佳的豌豆品種是解決當(dāng)前問題的關(guān)鍵。

主成分分析是從構(gòu)成性狀的多因素關(guān)系揭示供試材料的特點(diǎn)，了解其主成分構(gòu)成、特征和生物學(xué)意義，為供試材料的客觀評價和品種的引進(jìn)或選育提供理論參考。近年來，主成分分析在作物資源農(nóng)藝性狀及品質(zhì)和畜禽的綜合評價中廣泛應(yīng)用，涉及作物及畜禽主要有朝天椒[5]、谷子[6]、大米[7]、馬鈴薯[8]、白鵝[9]等。本研究以11 個干籽粒豌豆新品種（系）為試驗材料，通過田間記載和室內(nèi)考種，運(yùn)用主成分分析對干籽粒豌豆的13 個農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，確定用于綜合評價的主成分個數(shù)，根據(jù)主成分得分和貢獻(xiàn)率計算出綜合主成分得分，利用綜合主成分得分評價干籽粒豌豆的適應(yīng)性，篩選出農(nóng)藝性狀良好的干籽粒豌豆新品種（系），旨在提供優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的干籽粒豌豆新品種（系），同時為干籽粒豌豆新品種選育和示范推廣提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料試驗材料為2020 年參加國家食用豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系豌豆新品種（系）（干籽粒組）聯(lián)合鑒定試驗的11 個豌豆新品種（系），分別為：皖豌1號、中豌201、川268-1、成都朱砂豌1 號、定豌9 號、20205、靖豌8 號、渝豌6 號、云豌116、蘇豌8 號、中豌6 號（CK）。

1.2 試驗設(shè)計每個參試品種（系）重復(fù)3 次，小區(qū)長3m、寬3.33m，小區(qū)面積9.99m2。每小區(qū)10 行；密 度3.3 萬 苗/667m2；試 驗 田 總 面 積1134m2。試驗 田 位 于 畢 節(jié) 市 朱 場 鎮(zhèn)（107.77°E、27.45°N，海拔1545m），前作為玉米，壤土，土壤肥力中等。播種時每hm2施底肥鉀肥100kg、尿素200kg、復(fù)合肥200kg。2020 年10 月22 日播種，在豌豆的生長周期共施肥2 次、中耕除草4 次，噴施阿維菌素防治蟲害。

1.3 試驗調(diào)查及記載根據(jù)《豌豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]要求適當(dāng)修改，記載參試品種的物候期、植物學(xué)特征、生物學(xué)特征、經(jīng)濟(jì)性狀等項目。本研究記載豌豆的生育期、株高、始莢高度、主莖分枝數(shù)、有效枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、總莢節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)、莢長、莢寬、百粒重、考種株產(chǎn)量等13 個數(shù)量性狀，并對以上數(shù)量性狀進(jìn)行分析。記載項目及記載標(biāo)準(zhǔn)如下。

生育期：從出苗到成熟的天數(shù)，以d 表示；株高：取樣20 株，測量每株最高一枝頂端生長點(diǎn)至莖基長度，求平均值，以cm 表示；始莢高度：取樣20 株，測量每株開始結(jié)莢生長點(diǎn)至莖基長度，求平均值，以cm 表示；主莖分枝數(shù)：取樣20 株，記錄每個植株上分枝的總和（包括結(jié)莢與否的分枝及主莖），求平均值，以個表示；有效分枝數(shù)：取樣20 株，記錄凡是結(jié)有可收獲籽粒的莢的枝（包括主莖），求平均值，以個表示；主莖節(jié)數(shù)：取樣20 株，記錄每株主莖從基部第一節(jié)起至頂端最后一節(jié)止的總節(jié)數(shù)，求平均值，以節(jié)表示；總莢節(jié)數(shù)：取樣20 株，記錄每株結(jié)有有效莢的總節(jié)數(shù)，求平均值，以節(jié)表示；實(shí)莢數(shù)：取樣20 株，記錄每個植株上含有1 粒及以上飽滿籽粒的莢果總數(shù)，求平均值，以個表示；實(shí)粒數(shù)：取樣20 株，記錄植株上所有飽滿莢果包含的總粒數(shù)，求平均值，以粒表示；莢長：隨機(jī)選取代表性的20 個莢測量長度及每莢中部的寬度，求平均值，以cm 表示；莢寬：隨機(jī)選取有代表性的20 個莢中部的寬度，求平均值，以cm 表示；百粒重：隨機(jī)選取100 粒顆粒飽滿的種子稱重，以g 表示；考種株產(chǎn)量：取樣20 株的全部干籽粒產(chǎn)量，以g 表示。

1.4 數(shù)據(jù)分析采用SPSS 22.0 和DPS 數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的描述性統(tǒng)計分析對干籽粒豌豆的13 個農(nóng)藝性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果見表1。11 個品種（系）的生育期、株高、始莢高度、主莖分枝數(shù)、有效枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、總莢節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)、莢長、莢寬、百粒重、考種株產(chǎn)量的范 圍 分 別 為：178.67～205.00d、29.90～177.30cm、11.83～39.55cm、1.57～3.57 個、1.35～3.05 個、10.08～16.97 節(jié)、6.07～16.92 節(jié)、8.65～24.40 個、24.70～77.67 粒、5.86～7.38cm、1.00～1.35cm、10.34～21.58g、88.79～251.69g。不同品種（系）的同一農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)出一定程度的差異，變異系數(shù)范圍4.07%～64.19%。農(nóng)藝性狀變異系數(shù)大小順序為株高＞始莢高度＞實(shí)粒數(shù)＞實(shí)莢數(shù)＞考種株產(chǎn)量＞總莢節(jié)數(shù)＞主莖分枝數(shù)＞有效枝數(shù)＞主莖節(jié)數(shù)＞百粒重＞莢寬＞莢長＞生育期，株高變異系數(shù)最大，為64.19%；生育期變異系數(shù)最小，為4.07%。除生育期、莢長、莢寬外，其余10 個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)大于15%，受環(huán)境影響較大。

表1 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的描述性統(tǒng)計

2.2 干籽粒豌豆的主成分分析

2.2.1 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析見表2。生育期與株高、始莢高度、主莖節(jié)數(shù)、實(shí)粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.875、0.739、0.968、0.796，與總莢節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)、考種株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.645、0.702、0.605；株高與始莢高度、主莖節(jié)數(shù)、實(shí)粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.792、0.893、0.790，與總莢節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.610、0.678；始莢高度與主莖節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.816、0.825、0.778，與總莢節(jié)數(shù)、考種株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.713、0.607；主莖分枝數(shù)與有效枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.958；主莖節(jié)數(shù)與實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.799、0.879，與總莢節(jié)數(shù)、考種株產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.725、0.666；總莢節(jié)數(shù)與實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)、考種株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.969、0.945、0.897；實(shí)莢數(shù)與實(shí)粒數(shù)、考種株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.955、0.828；實(shí)粒數(shù)與考種株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.891；莢長與莢寬、百粒重呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.730、0.686。因干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀間存在一定程度的相關(guān)性，顯示的信息存在一定程度的重疊，可將13 個農(nóng)藝性狀通過主成分分析將其轉(zhuǎn)化為幾個相對獨(dú)立的因子對農(nóng)藝性狀進(jìn)行科學(xué)合理的綜合評價。

表2 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析

2.2.2 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的主成分分析因干籽粒豌豆各農(nóng)藝性狀間存在一定程度的相關(guān)性，為了消除性狀間相關(guān)影響，本文采用主成分分析對干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀進(jìn)行科學(xué)的評價及分析。

對干籽粒豌豆13 個農(nóng)藝性狀進(jìn)行Bartlett 球形檢驗，p=0.0010，可進(jìn)行主成分分析。干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀主成分分析結(jié)果見表3，前3 個主成分累計貢獻(xiàn)率為90.27%，能代表原有農(nóng)藝性狀的絕大部分信息，因此，將干籽粒豌豆的13 個農(nóng)藝性狀轉(zhuǎn)化為3 個主成分進(jìn)行分析。

表3 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的主成分分析

各農(nóng)藝性狀特征向量系數(shù)絕對值越大，表示該農(nóng)藝性狀與主成分的相關(guān)性越強(qiáng)，通常認(rèn)為特征向量系數(shù)絕對值大于0.3，則該農(nóng)藝性狀與主成分緊密度較高[11]。第1 主成分特征值為6.88，貢獻(xiàn)率為52.88%，代表生育期、株高、始莢高度、主莖節(jié)數(shù)、總莢節(jié)數(shù)、實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)、考種株產(chǎn)量等信息，可將其稱為產(chǎn)量構(gòu)成因子；第2 主成分特征值為2.79，貢獻(xiàn)率為21.45%，代表主莖分枝數(shù)、有效枝數(shù)、莢長、莢寬等信息，可將其稱為株型莢型因子；第3 主成分特征值為2.07，貢獻(xiàn)率為15.94%，主要表達(dá)百粒重的信息，可將其稱為百粒重因子。

2.2.3 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀的綜合評價根據(jù)干籽粒豌豆各農(nóng)藝性狀的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)和相應(yīng)的特征向量，可計算11 個干籽粒豌豆主成分的得分，即Y（i，1）=0.321X1+0.322X2+……+0.339X13；Y（i，2）=0.014X1-0.217X2+……+0.117X13；Y（i，3）=-0.266X1-0.226X2+……+0.245X13。其中X1，X2，……X13表示各農(nóng)藝性狀的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，Y（i，1）、Y（i，2）、Y（i，3）表示第i個干籽粒豌豆品種（系）的第1 主成分得分、第2 主成分得分、第3 主成分得分。將11 個干籽粒豌豆品種（系）各主成分得分按序排列，可直觀權(quán)衡每個主成分在每個品種（系）中所處的位置及分量。干籽粒豌豆品種（系）農(nóng)藝性狀的綜合評價模型為Y=[λ1/（λ1+λ2+λ3）]×Y（i，1）+[λ2/（λ1+λ2+λ3）]×Y（i，2）+[λ3/（λ1+λ2+λ3）]×Y（i，3），其中，λ1～λ3分別對應(yīng)各主成分的特征值，并利用該數(shù)學(xué)模型計算11 個干籽粒豌豆新品種（系）的綜合主成分得分（表4），較直觀地對干籽粒豌豆的農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價。

表4 干籽粒豌豆農(nóng)藝性狀主成分得分及排名

從表4可知，在11個干籽粒豌豆新品種（系）中，第1 主成分排名前3 的是20205、定豌9 號、成都朱砂豌1 號，得分分別為4.2357、3.3306、2.2044，此3個品種（系）生育期較長，植株較高，始莢高度較大，主莖節(jié)數(shù)、總莢節(jié)數(shù)均較多，實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)均較高，考種株產(chǎn)量較高；第2主成分排名前2的是渝豌6號、靖豌8 號，得分分別為3.0426、2.7752，此2 個品種（系）的主莖分枝數(shù)和有效枝數(shù)較多，莢較短、較窄；第3 主成分排名前3 的是中豌6 號、皖豌1 號、渝豌6 號，得分分別為1.6870、1.2843、0.9955，以上干籽粒豌豆新品種（系）的百粒重較高。

從農(nóng)藝性狀綜合主成分得分看，其分值越高，干籽粒豌豆的綜合農(nóng)藝性狀越好。干籽粒豌豆新品種（系）綜合主成分得分排名前2 位的品種分別是20205、定豌9 號，得分分別為2.452、1.859，農(nóng)藝性狀表現(xiàn)為生育期較長，植株、始莢高度較高，主莖節(jié)數(shù)、總莢節(jié)數(shù)均較多，實(shí)莢數(shù)、實(shí)粒數(shù)、百粒重較高，莢寬莢長適中，且干籽粒豌豆考種株產(chǎn)量居前2 位，其綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)良好，可作為黔西北山區(qū)海拔1600m 左右區(qū)域內(nèi)的試驗示范干籽粒豌豆推廣品種（系）。綜上表明，在進(jìn)行農(nóng)藝性狀分析時僅考慮某一性狀或隨機(jī)的幾個性狀是不適宜的，應(yīng)采取可行的分析手段對農(nóng)藝性狀進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)全面的綜合評價。

3 討論與結(jié)論

通過對11 個干籽粒豌豆品種（系）進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)干籽粒豌豆的生育期、株高、始莢高度等13 個農(nóng)藝性狀均存在不同程度的變異，除生育期、莢長、莢寬外，其余10 個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)大于15%，株高變異系數(shù)最大，為64.19%。表明可通過有性雜交、系統(tǒng)選育等方法對以上10 個性狀進(jìn)行改良及選擇，最終實(shí)現(xiàn)干籽粒豌豆的育種目標(biāo)。

從相關(guān)性分析結(jié)果看，各農(nóng)藝性狀間存在不同程度的相關(guān)性，因此，本研究采用主成分分析將13個農(nóng)藝性狀轉(zhuǎn)化為幾個相對獨(dú)立的主成分因子進(jìn)行綜合分析及評價。前3 個主成分的累計貢獻(xiàn)率為90.27%，其中：第1 主成分為產(chǎn)量構(gòu)成因子，貢獻(xiàn)率為52.88%；第2 主成分為莢長、莢寬因子，貢獻(xiàn)率為21.45%；第3 主成分為百粒重因子，貢獻(xiàn)率為15.94%。以上3 個主成分表達(dá)的綜合信息能反映全部性狀的絕大部分遺傳信息，區(qū)域適應(yīng)性越好的品種（系），其主成分綜合得分分值越高。干籽粒豌豆新品種（系）綜合主成分得分較高的是20205、定豌9號，可將以上品種（系）引進(jìn)在貴州省范圍內(nèi)進(jìn)行示范試驗，若綜合表現(xiàn)均良好，方可進(jìn)行推廣應(yīng)用。