基于主成分分析和聚類分析的大豆高產(chǎn)群體性狀研究

孫 影，葉 錄，王鳳梧，廉培勇，鄭成忠，梅 雪，張子臻，王千軍，徐振朋，王小明，黃文娟

（烏蘭察布市農(nóng)林科學研究所，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000）

大豆作為重要的蛋白質(zhì)和油脂來源之一，在我國已有2000多年的栽培歷史［1］。大豆產(chǎn)量性狀和相關農(nóng)藝性狀多為數(shù)量性狀，容易受環(huán)境因素的影響，而且農(nóng)藝性狀之間還會相互影響，導致分析產(chǎn)量與相關農(nóng)藝性狀之間的關系比較困難。在特定的生態(tài)條件下，研究特定性狀與產(chǎn)量的關系，可以直觀地篩選出高產(chǎn)的指標性狀［2］。大豆的產(chǎn)量受多個基因控制，在育種上很難直接選擇某個性狀，因此，通過選擇與產(chǎn)量相關的農(nóng)藝性狀已成為作物高產(chǎn)育種的一個重要途徑［3］。主成分分析、聚類分析與其他分析方法聯(lián)合使用，在品種評價、分類、選育、建立理想的高產(chǎn)株型方面均有獨特的優(yōu)勢［4-7］。

目前，關于大豆的研究多集中在高產(chǎn)栽培技術方面，對大豆品種主要農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量之間的關系及其變化規(guī)律已有一些研究［8-10］，但采用主成分分析與聚類分析相結合的方法對不同品種相關農(nóng)藝性狀進行量化分析的研究鮮見報道。本研究采用多元統(tǒng)計分析方法，通過對20種大豆品種的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀進行分析，探討了它們之間的量化關系，并對各參試品種的性狀進行了聚類分析和綜合評價，旨在明確大豆高產(chǎn)群體的特征，為內(nèi)蒙古烏蘭察布市大豆的生產(chǎn)、引種及良種選育提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

本試驗于2022年在烏蘭察布市農(nóng)林科學研究所平地泉基地進行，地理位置113.1196°E、40.9232°N，海拔1342 m，生育期平均溫度16.92 ℃，降水量278.9 mm，日照時數(shù)1084.7 h。土壤質(zhì)地為砂壤土，地力良好、平衡，前茬作物為馬鈴薯。

供試大豆品種：內(nèi)豆4號、蒙豆343、蒙豆160、蒙豆170、蒙豆42、蒙豆43、蒙豆46、蒙豆48、蒙豆49、蒙豆50、蒙豆15、登科5號、登科1號、蒙豆53、蒙豆54、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆1137、蒙豆912、東農(nóng)690共20個大豆品種，均由呼倫貝爾市農(nóng)牧科學研究所提供。

1.2 試驗設計

2022年5月20日播種，以品種為處理，采取隨機區(qū)組排列，設置3個重復，合計60個小區(qū)，每個小區(qū)面積為16.5 m2（5.5 m×3.0 m），株行距18 cm×25 cm，保護行≥2行，小區(qū)間觀察道寬0.5 m，小區(qū)中間過道寬1.0 m。

1.3 測定內(nèi)容與方法

記錄各參試大豆品種的生育期、收獲期；在每個小區(qū)隨機挑選大豆植株10株，并分別測定其株高、主莖節(jié)數(shù)、結莢高度、分枝數(shù)等農(nóng)藝性狀，以及單株有效莢數(shù)、單株無效莢數(shù)、單株總粒數(shù)、百粒重等產(chǎn)量構成性狀。每個小區(qū)收割20穴，脫粒，曬干，測定20株的總產(chǎn)量。同時，每個小區(qū)全部收割，混合脫粒，測定每個小區(qū)的實際產(chǎn)量。

1.4 統(tǒng)計分析

運用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理和統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 生育期

由表1可以看出，內(nèi)豆4號的生育期最短，為92 d；蒙豆912的生育期最長，為122 d。除此之外，其他參試大豆品種的生育期在108～118 d之間?？傮w來說，除內(nèi)豆4號外，參試大豆品種的生育期較為接近，在內(nèi)蒙古烏蘭察布地區(qū)種植均能夠正常成熟。

表1 參試大豆品種的生育期情況

2.2 產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀

測定參試品種的單株有效莢數(shù)、無效莢數(shù)、總粒數(shù)、有效分枝數(shù)，以及百粒重、產(chǎn)量、株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度等指標，結果(表2)表明：不同品種的各個農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀之間的差異較大，變異系數(shù)最大的是單株無效莢數(shù)，為0.83；其次是單株有效分枝數(shù)，為0.77，這說明無效莢數(shù)和有效分枝數(shù)會隨外界環(huán)境的改變而發(fā)生較大的變化。在大豆的實際生產(chǎn)中，可以通過調(diào)控農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀來達到提高產(chǎn)量的目的。主莖節(jié)數(shù)的變異系數(shù)最小，為0.12；其他產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)較小，集中在0.13～0.23之間，說明這些指標受遺傳因素的影響較大，有一定的穩(wěn)定性。

表2 參試大豆品種主要產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)

2.3 產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀之間的相關性分析

對參試大豆品種的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀進行Person相關性分析，結果如表3所示，由此可以看出：小區(qū)產(chǎn)量與株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)呈顯著正相關，與20株產(chǎn)量呈極顯著正相關；20株產(chǎn)量與株高、單株有效莢數(shù)呈顯著正相關，與單株總粒數(shù)呈極顯著正相關；百粒重與單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)呈顯著負相關；單株總粒數(shù)與單株有效莢數(shù)呈極顯著正相關；單株無效莢數(shù)與底莢高度呈極顯著負相關；株高與單株有效莢數(shù)、主莖節(jié)數(shù)呈顯著正相關。

表3 參試大豆品種產(chǎn)量性狀、農(nóng)藝性狀間的相關性

2.4 參試大豆品種的主成分分析

對試驗數(shù)據(jù)進行Bartlett球形度檢驗和KMO檢驗(表4)，根據(jù)檢驗要求，如果KMO＞0.8，則說明非常適合進行分析；如果KMO值介于0.7～0.8之間，則說明比較適合進行分析；如果KMO值介于0.6～0.7之間，則說明可以進行分析；如果KMO值＜0.6，則說明不適合進行分析。本試驗符合KMO＞0.6且P＜0.05的標準，這說明適合進行主成分分析。

表4 Bartlett球形檢驗和 KMO檢驗結果

對參試品種的農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀做主成分分析，從表5可以看出：通過主成分分析提取出3個主成分，第1主成分的特征值為4.057，貢獻率為40.569%；第2主成分的特征值為2.230，貢獻率為22.302%；第3主成分的特征值為1.197，貢獻率為11.970%；前3個主成分的累計貢獻率為74.841%。

表5 參試大豆品種主成分分析結果

表6反映出了各主成分的載荷量和共同度，由此可以看出：第1主成分包括小區(qū)產(chǎn)量(載荷量0.847)、20株產(chǎn)量(0.838)、單株有效莢數(shù)(0.774)、單株總粒數(shù)(0.766)、株高(0.705)、主莖節(jié)數(shù)(0.661)和底莢高度(0.508)；第2主成分包括百粒重(0.863)；第3主成分包括單株無效莢數(shù)(0.548)。

表6 載荷量與共同度

2.5 聚類分析

對20個品種的10個性狀進行系統(tǒng)聚類分析，結果如圖1所示，按照聚類結果在最大距離為10時，可將20個品種劃分為4個大類：類群Ⅰ包括蒙豆343、蒙豆53、蒙豆46、蒙豆54、內(nèi)豆4號、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆48、蒙豆912；類群Ⅱ包括蒙豆42、蒙豆50、蒙豆49、蒙豆43、蒙豆1137、蒙豆160、登科5號、登科1號、蒙豆15；類群Ⅲ包括東農(nóng)690；類群Ⅳ包括蒙豆170。

圖1 參試大豆品種的聚類分析結果

根據(jù)聚類分析結果，對4個大類的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀進行系統(tǒng)分析，總結出各大類群的性狀特征。結果表明(表7)：類群Ⅰ品種的株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、單株有效莢數(shù)、20株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量適中，有效分枝數(shù)和單株無效莢數(shù)少，百粒重高。類群Ⅱ品種的株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、百粒重、20株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量高，單株總粒數(shù)和單株有效莢數(shù)較多，單株有效分枝數(shù)適中，單株無效莢數(shù)少，該類型是典型的高產(chǎn)類型，具有植株高大，單株總粒數(shù)和單株總莢數(shù)較多且顆粒大的特點。類群Ⅲ品種的株高、主莖節(jié)數(shù)、單株有效分枝數(shù)、單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)高，底莢高度、20株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量適中，單株無效莢數(shù)和百粒重低，該類型是典型的株高粒小型。類群Ⅳ品種的株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、20株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量低，單株有效分枝數(shù)、單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)、百粒重適中，單株無效莢數(shù)多，該類型植株矮小，產(chǎn)量低，容易受環(huán)境的影響而產(chǎn)生空癟粒。

表7 參試大豆品種4個類群的性狀特征

3 討論

3.1 產(chǎn)量、農(nóng)藝性狀的變異性和相關性分析

大豆植株性狀的變異系數(shù)反映了不同大豆品種隨著環(huán)境的改變而發(fā)生改變的可能性，韓秉進等［11］認為除了百粒重、主莖節(jié)數(shù)、每莢粒數(shù)和經(jīng)濟系數(shù)的變異較小，改良空間較小外，大豆的其他性狀都有一定的改良空間；4粒莢數(shù)、分枝數(shù)的變異系數(shù)最大，可通過品種的更換或改良、施肥的改善等栽培措施，使其具有較大的改良空間，其也可以作為育種選擇的性狀。本研究發(fā)現(xiàn)，大豆的單株無效莢數(shù)和單株有效分枝數(shù)的變異系數(shù)最大，有很大的改良空間，而百粒重、主莖節(jié)數(shù)、株高等性狀的變異系數(shù)小，受遺傳因素的影響較大，這與前人的研究結果相似。

符小發(fā)等［12］認為單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、生物產(chǎn)量、株高等性狀能為大豆產(chǎn)量的積累提供足夠的“庫”，這些指標與產(chǎn)量呈顯著正相關；潘相文等［13］亦認為在選擇大豆高產(chǎn)品種時，應側(cè)重選擇這些性狀為重要指標。王金陵等［14-15］認為大豆的株高與單株產(chǎn)量呈正相關，而孟慶喜等［16］認為大豆的株高與單株產(chǎn)量在肥力高的田塊呈負相關，在肥力低的田塊則呈正相關。本研究結果表明：與大豆產(chǎn)量呈顯著正相關的性狀指標有株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)，這與前人的研究結果相似。

3.2 主成分分析與聚類分析

眾多學者認為單株粒重是提高產(chǎn)量的關鍵因素，即單株粒重對產(chǎn)量的貢獻最大［17-21］。符小發(fā)等［12］研究發(fā)現(xiàn)不同農(nóng)藝性狀對不同大豆品種單株產(chǎn)量的影響表現(xiàn)為單株莢數(shù)＞單株粒數(shù)＞生物產(chǎn)量＞有效分枝數(shù)＞百粒重＞生育期＞株高。任海龍等［22］得出大豆單株產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的關聯(lián)強度表現(xiàn)為單株粒數(shù)＞單株莢數(shù)＞有效分枝數(shù)＞株髙＞主莖節(jié)數(shù)＞生育期＞百粒重。王彩潔等［6］認為分枝數(shù)、單株莢數(shù)是影響大豆產(chǎn)量的關鍵因素，因而是育種過程中選擇的主要目標性狀。

本研究對20份參試大豆材料進行主成分分析后，得出了3個主成分，3個主成分的累計貢獻率為74.841%。第1主成分的特征值為4.057，貢獻率為40.569%，說明在本試驗中該類主成分對產(chǎn)量形成有重要的影響。除去產(chǎn)量因素，還有百粒重、單株有效莢數(shù)、單株總粒數(shù)、株高和主莖節(jié)數(shù)的載荷量較高，分別為0.863、0.774、0.766、0.705和0.661，說明這幾個農(nóng)藝性狀對產(chǎn)量的影響較大，因此在育種中應該優(yōu)先選擇具有這類優(yōu)良性狀的大豆材料，并在高產(chǎn)栽培模式創(chuàng)建過程中對這些性狀進行重點調(diào)控。

本研究通過聚類分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)量最高的是類群Ⅱ，說明高產(chǎn)大豆品種的特點為株高、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、百粒重高，單株總粒數(shù)和單株有效莢數(shù)較多，單株有效分枝數(shù)適中，單株無效莢數(shù)少。由此可知，選育高產(chǎn)大豆品種時不能 一味地追求單株總莢數(shù)和總粒數(shù)，而是在保證這2項指標的基礎上，適當提高株高，增加百粒重。這與陳桂娟等［23］的研究結果相似。

4 結論

烏蘭察布市氣候干燥，晝夜溫差大，光能資源極為豐富，日平均日照時數(shù)為7.6～8.4 h，可以為大豆產(chǎn)量的積累提供足夠的“源”。本試驗選取的20個大豆品種均能在本地區(qū)正常生長成熟。綜合聚類分析、主成分分析和相關性分析結果，大豆高產(chǎn)群體的農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀表現(xiàn)為株高高、主莖節(jié)數(shù)多、底莢高度高、粒重大、單株總粒數(shù)和有效莢數(shù)多，說明在選育高產(chǎn)品種時，要首先考慮這些指標。變異性分析表明：單株無效莢數(shù)和單株有效分枝數(shù)的變異系數(shù)最大，說明在品種遺傳改良時這2個性狀可作為優(yōu)先考慮的農(nóng)藝性狀。