基于主成分和隸屬函數(shù)值法的海棠表型分析與觀賞性綜合評(píng)價(jià)

關(guān)鍵詞：海棠；表型分析；觀賞性評(píng)價(jià)；變異系數(shù)；育種選擇

海棠Malusspp.屬薔薇科Rosaceae落葉小喬木或灌木觀賞花卉，具有極強(qiáng)的耐旱性、抗寒性和萌蘗能力[1-3]。海棠的枝葉、花、果實(shí)色澤鮮明，豐富艷麗，花果繁密，樹(shù)形優(yōu)美[4]，在中國(guó)有著悠久的栽培歷史，是我國(guó)傳統(tǒng)名花，自古有“花中仙子”之美稱[5]，具有極大的推廣價(jià)值。中國(guó)植物志資料顯示我國(guó)約有22個(gè)野生種和7個(gè)栽培種海棠資源，主要生長(zhǎng)在我國(guó)的陜西、河南等中原地區(qū)和甘肅、青海等西部地區(qū)[6]。據(jù)實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)查閱，青海引進(jìn)和當(dāng)?shù)卦泻Ｌ钠贩N共有26種，其中有22個(gè)蘋(píng)果屬植物，4個(gè)木瓜屬植物[6]。海棠品種雖然豐富多樣，但因各品種分布零散，品種命名錯(cuò)誤混亂，加之不注重原生種的保護(hù)和合理開(kāi)發(fā)，海棠種質(zhì)資源無(wú)法及時(shí)收集和保存，導(dǎo)致海棠種質(zhì)資源不斷流失[7]，極大地限制了青海的海棠優(yōu)良品種選育工作的開(kāi)展。本研究通過(guò)對(duì)引進(jìn)的海棠品種進(jìn)行表型性狀調(diào)查和分析，掌握海棠品種之間的表型多樣性差異，同時(shí)，對(duì)海棠品種的觀賞性和生長(zhǎng)量進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，為今后進(jìn)一步開(kāi)展海棠優(yōu)良品種選育和收集提供基礎(chǔ)性材料。

目前，對(duì)海棠品種性狀綜合評(píng)價(jià)分析常用的有主成分分析法、層次分析法（AHP）和灰色關(guān)聯(lián)度法，以及采用人為加權(quán)打分的方法。包東娥等[8]運(yùn)用主成分分析法對(duì)觀賞海棠的主要性狀進(jìn)行分析，研究了海棠主要性狀的遺傳變異情況和方差貢獻(xiàn)率，構(gòu)建出觀賞海棠的綜合評(píng)價(jià)模型，篩選出綜合性狀表現(xiàn)最佳的海棠株系。劉勝男等[4]將層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)法結(jié)合起來(lái)對(duì)30種北美海棠觀賞性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。吳曉星等[9]運(yùn)用層次分析法（AHP）建立了36個(gè)歐美觀賞海棠品種綜合評(píng)價(jià)模型，進(jìn)一步對(duì)海棠品種進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，取得了較為理想的預(yù)期結(jié)果。另外，夏冰等[10]采用人為加權(quán)打分的方法對(duì)海棠品種性狀指標(biāo)進(jìn)行比較和海棠優(yōu)良品種選育選種，但此種方法人為因素較大，對(duì)結(jié)論會(huì)有一定干擾。各評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性，而主成分分析法和隸屬函數(shù)值法能客觀反映研究對(duì)象的綜合表現(xiàn)[11]。因此，本研究采用主成分分析法和隸屬函數(shù)值法相結(jié)合的方式，對(duì)海棠的表型性狀和生長(zhǎng)量進(jìn)行定性和定量分析、比較，以期篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)良且適于西寧市種植推廣的海棠品種。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

供試的22個(gè)海棠品種材料引自陜西西安和江蘇南京（表1），采取整株帶土團(tuán)移植的方式進(jìn)行引種。引種海棠在青海省西寧市祁家城苗圃基地栽植并精細(xì)撫育管理，長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)良，均已到開(kāi)花結(jié)果樹(shù)齡。試驗(yàn)地位于青海省西寧市祁家城苗圃，年平均氣溫5.0℃，無(wú)霜期140～170d，降水多集中在7—9月份，平均相對(duì)濕度為56%。土壤主要為黃土母質(zhì)發(fā)育成的栗鈣土，土層深厚，結(jié)構(gòu)較好，肥力中等。

1.2表型測(cè)定

用卷尺測(cè)定植株株高、干高、冠幅、新梢枝長(zhǎng)、果梗長(zhǎng)和果簇?cái)?shù)節(jié)間長(zhǎng)；用游標(biāo)卡尺測(cè)定葉寬（葉片最寬處）、葉長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)、新梢直徑、花徑、果實(shí)縱徑和橫徑；測(cè)算葉簇?cái)?shù)、花瓣數(shù)、花序數(shù)、結(jié)果簇?cái)?shù)和果序數(shù)；計(jì)算果形指數(shù)（果實(shí)縱徑/果實(shí)橫徑）。每群體測(cè)定20個(gè)個(gè)體，每個(gè)個(gè)體隨機(jī)測(cè)定10個(gè)，重復(fù)3次。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel2020軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、相關(guān)性分析、變異系數(shù)和隸屬函數(shù)值計(jì)算，利用SPSS16.0軟件進(jìn)行主成分分析。

變異系數(shù)CV表示表型性狀的離散性特征，變異系數(shù)越大，性狀離散程度越大。

主成分分析：對(duì)引進(jìn)的海棠品種的枝葉、花和果實(shí)表型性狀進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1.00的因子作為主成分，得到主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率、因子載荷矩陣等，根據(jù)提取得到的主成分信息對(duì)海棠進(jìn)行評(píng)價(jià)[14-16]。

隸屬函數(shù)值：計(jì)算各海棠品種生長(zhǎng)量和觀賞性的綜合得分，得分的高低可反映各海棠在綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)中的表現(xiàn)。隸屬函數(shù)值的計(jì)算方法如下：

式中，i表示某個(gè)測(cè)試單株，j表示某一性狀，Zij為i單株j性狀的綜合隸屬函數(shù)值，Xij為i單株j性狀的測(cè)定值，Xjmin和Xjmax分別為各單株性狀值的最小值和最大值。計(jì)算各性狀的隸屬函數(shù)值，獲得的隸屬函數(shù)值累加起來(lái)取平均值，再對(duì)平均值排序，進(jìn)行評(píng)價(jià)[17]。

2結(jié)果與分析

2.1海棠表型性狀特征值分析

對(duì)22個(gè)海棠品種枝葉、花和果實(shí)共20項(xiàng)性狀指標(biāo)數(shù)據(jù)及特征值進(jìn)行分析（表2、3）。分析發(fā)現(xiàn)，各表型變異明顯，20項(xiàng)指標(biāo)間的變異系數(shù)范圍在9.11%～100.82%。在海棠枝葉表型性狀中，新梢長(zhǎng)度和冠幅的變異系數(shù)大，其次為新梢直徑和葉寬，變異系數(shù)值分別為66.36%、61.43%、39.72%和35.06%，表明新梢長(zhǎng)度、冠幅、新梢直徑和葉寬在各品種間差異最為明顯，存在廣泛變異；枝下高變異系數(shù)最小，僅11.72%，表明枝下高在不同海棠品種間差異較小，性狀較為穩(wěn)定?；ê凸麑?shí)表型指標(biāo)中，結(jié)果簇?cái)?shù)變異系數(shù)最大，高達(dá)100.82%，表明不同海棠品種間存在極廣泛的變異；其次為果枝長(zhǎng)度、果序數(shù)的變異系數(shù)，分別在64.36%和55.25%，表明這些性狀在不同品種間存在廣泛變異；果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑、花瓣數(shù)、果梗長(zhǎng)和果簇?cái)?shù)節(jié)間長(zhǎng)度的變異系數(shù)均在30%～50%，說(shuō)明不同海棠間存在廣泛的變異；果形指數(shù)變異系數(shù)最小，為9.11%。

2.2海棠表型相關(guān)性分析

對(duì)22個(gè)海棠品種的20項(xiàng)表型指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析（表4），結(jié)果表明有20對(duì)和12對(duì)指標(biāo)相關(guān)性達(dá)到極顯著（P＜0.01）和顯著水平（P＜0.05）。各品種性狀間存在關(guān)聯(lián)，有一定的相關(guān)性，而多數(shù)指標(biāo)間相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。其中，枝下高、果形指數(shù)、果梗長(zhǎng)、結(jié)果簇?cái)?shù)、果簇?cái)?shù)節(jié)間長(zhǎng)度與其它19個(gè)指標(biāo)間相關(guān)性均不顯著；葉簇?cái)?shù)僅與枝下高存在顯著相關(guān)，與其他指標(biāo)相關(guān)性均不顯著；果枝長(zhǎng)度僅與結(jié)果簇?cái)?shù)存在極顯著正相關(guān)，與其他指標(biāo)相關(guān)性均不顯著。20個(gè)指標(biāo)間，多數(shù)指標(biāo)間為正相關(guān)關(guān)系，如葉寬與葉長(zhǎng)、葉柄長(zhǎng)、新梢直徑、果實(shí)縱徑均為正相關(guān)關(guān)系且達(dá)到極顯著水平；葉寬與葉長(zhǎng)正相關(guān)性系數(shù)達(dá)到0.886，而葉寬與果序數(shù)為極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.604）；葉長(zhǎng)和葉柄長(zhǎng)、果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑間均為正相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到極顯著水平；葉長(zhǎng)與果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑正相關(guān)性系數(shù)分別達(dá)到0.576和0.581；葉柄長(zhǎng)與果實(shí)橫徑、果實(shí)縱徑正相關(guān)性系數(shù)分別達(dá)到0.645和0.661；冠幅與花果指標(biāo)中果枝長(zhǎng)度、結(jié)果簇?cái)?shù)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.584、0.752）。在花果指標(biāo)中，花徑與花瓣數(shù)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（0.615）；花徑與果形指數(shù)存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（-0.511）；果實(shí)橫徑與果實(shí)縱徑之間存在正相關(guān)關(guān)系，且達(dá)到極顯著水平；果枝長(zhǎng)度與結(jié)果簇?cái)?shù)存在極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.3海棠表型性狀主成分分析

對(duì)22個(gè)海棠品種的20個(gè)表型指標(biāo)進(jìn)行主成分分析（表5），結(jié)果得出前6個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為29.334%、17.981%、12.375%、10.027%、7.070%和5.809%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.597%，即前6個(gè)主成分能代表所測(cè)定海棠枝葉和花果82.597%的信息量，解釋了絕大部分的原始信息。因此，可以選取相對(duì)獨(dú)立的前6個(gè)主成分作為22個(gè)海棠品種表型性狀的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，以達(dá)到降維的目的。第1主成分葉寬、果實(shí)橫徑和果實(shí)縱徑的特征向量正值較大，分別為0.922、0.885和0.855；第2主成分株高、冠幅、結(jié)果簇?cái)?shù)的特征向量正值較大，分別為0.644、0.628和0.619；第3主成分新梢長(zhǎng)度、株高和冠幅的特征向量正值較大，分別為0.659、0.505和0.673，主要反映海棠生長(zhǎng)情況；第4主成分枝下高和果簇?cái)?shù)節(jié)間長(zhǎng)度的特征向量正值較大，分別為0.597和0.636；第5主成分花序數(shù)和果序數(shù)的特征向量正值較大，分別為0.733和0.464；第6主成分新梢長(zhǎng)度和果形指數(shù)的特征向量正值較大，分別為0.445和0.618。

2.4海棠表型性狀隸屬函數(shù)值分析

對(duì)海棠的枝葉和花果的隸屬函數(shù)值進(jìn)行分析（如表6）。結(jié)果表明，‘白蘭地’海棠的20項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值綜合評(píng)分指數(shù)最高（0.563），其次為‘龍豐’海棠（0.530）和‘紅麗’海棠（0.503）；‘豐花’海棠和‘多花西府’海棠隸屬函數(shù)值綜合評(píng)分指數(shù)最低，分別為0.193和0.244。隸屬函數(shù)值綜合得分越大，其綜合觀賞性越高。由此說(shuō)明‘白蘭地’海棠的綜合觀賞性最高，‘豐花’海棠的綜合觀賞性最低。

2.5海棠綜合評(píng)價(jià)分析

根據(jù)主成分分析計(jì)算結(jié)果和隸屬函數(shù)值計(jì)算方法得到22個(gè)海棠品種綜合得分如表7所示。主成分分析綜合評(píng)分在前10的依次有‘龍豐’‘白蘭地’‘朱丹’‘楊泰紅’‘紅麗’‘花紅’‘123’‘新疆’‘海紅果’和‘西農(nóng)-9’海棠；隸屬函數(shù)分析綜合評(píng)分前10的品種依次為‘白蘭地’‘龍豐’‘紅麗’‘朱丹’‘123’‘王族’‘絢麗’‘楊泰紅’‘花紅’和‘新疆’海棠。采用主成分分析和隸屬函數(shù)2種方法得出的22個(gè)海棠品種枝葉和花果表型性狀綜合評(píng)價(jià)排序結(jié)果雖有一定的出入，但總體趨勢(shì)基本一致。

3討論

植物表型多樣性研究主要是記錄的植物外觀形狀，如葉片大小、花朵顏色、果實(shí)大小等性狀，通過(guò)植物形態(tài)學(xué)性狀的觀測(cè)分析，可對(duì)植物種類的遺傳學(xué)關(guān)系、分類作出研究[18-19]。不同海棠品種因受自身遺傳因素和外部環(huán)境的影響，表型性狀差異較大，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)研究可為有效利用和選擇優(yōu)良品種并推廣栽培奠定基礎(chǔ)[20]?；ê凸麑?shí)表型指標(biāo)中，結(jié)果簇?cái)?shù)變異系數(shù)最大，高達(dá)100.82%，表明不同海棠品種間存在極廣泛的變異。果實(shí)表型性狀間的變異系數(shù)高達(dá)33.66%以上，表明果實(shí)這些性狀在不同品種間存在廣泛變異。王璐[21]對(duì)36份觀賞海棠資源的數(shù)量性狀多樣性分析發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)均超過(guò)10%，各性狀離散程度較大，36份觀賞海棠資源具有較豐富的多樣性，與本研究海棠表型性狀相關(guān)性分析變異多樣性結(jié)果一致。包東娥等[8]研究表明觀賞海棠25個(gè)主要性狀均存在較大遺傳變異，變異系數(shù)為13.2%～125.1%，與本研究結(jié)果中枝葉表型、花表型、果實(shí)表型變異系數(shù)范圍相類似。王向光[22]研究發(fā)現(xiàn)不同海棠品種的葉片指標(biāo)中葉柄長(zhǎng)的變異系數(shù)最大（24.53%），與本研究結(jié)果類似；但是花瓣系數(shù)變異系數(shù)（0%）與本研究的花瓣變異系數(shù)（39.47%）相差很大，這可能與他研究的海棠花瓣均為5瓣花有關(guān)。

植物的許多性狀之間有著一定的聯(lián)系，不同品種由于生長(zhǎng)受到外界環(huán)境和自身因素的影響，導(dǎo)致不同性狀之間通常會(huì)存在不同程度直接或間接的影響，而進(jìn)行相關(guān)性分析可以直觀地發(fā)現(xiàn)并了解不同性狀之間的相互影響關(guān)系[11]。本試驗(yàn)中，22個(gè)海棠品種中20個(gè)指標(biāo)間有20對(duì)和12對(duì)相關(guān)性分別達(dá)到極顯著（P＜0.01）和顯著水平（P＜0.05），而多數(shù)指標(biāo)間相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，表明這些性狀間既存在一定的關(guān)聯(lián)性，又相對(duì)獨(dú)立，與劉勝男[23]研究結(jié)果相類似。王向光[22]研究中發(fā)現(xiàn)花序花數(shù)與花徑、花瓣長(zhǎng)寬存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與本研究的花瓣數(shù)與花序花數(shù)之間不存在顯著性差異的結(jié)論相反，需進(jìn)一步研究證實(shí)。

關(guān)于植物綜合評(píng)價(jià)有很多的方式，從傳統(tǒng)的人為觀察加權(quán)打分，到數(shù)據(jù)整合分析。但在新品種選育的過(guò)程中，由于性狀多且群體大，觀賞特征和生物學(xué)特性差異較大，傳統(tǒng)的性狀比較方法無(wú)法綜合考慮其優(yōu)良性狀[24]。使用2種原理完全不同的方法進(jìn)行分析，既兼顧了評(píng)價(jià)性狀權(quán)重的客觀性，又相互佐證，其目的是使綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果可信度更高[25-26]，在綜合評(píng)價(jià)中具有較強(qiáng)的可行性和科學(xué)性。劉翔宇等[24]利用主成分分析等方法對(duì)新疆棉花種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，但2種評(píng)價(jià)方法得出的結(jié)果有一定的偏差。楊玉寧等[26]利用主成分分析和灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)3種木通屬植物21份種質(zhì)果實(shí)的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2種方法得出的排名在前的基本為白木通種質(zhì)（B2～B8），雖排名略有差異，但總體結(jié)果相似。薄偉[27]基于隸屬函數(shù)和主成分分析對(duì)鳶尾不同品種綜合評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果比較吻合。王林輝[28]基于主成分分析及聚類分析對(duì)棉花品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果比較吻合的結(jié)果。

4結(jié)論

本試驗(yàn)的22種海棠的枝葉、花果間存在著不同程度的變異，20項(xiàng)指標(biāo)間的變異系數(shù)在9.11%～100.82%。在9項(xiàng)海棠枝葉表型指標(biāo)中，除枝下高度間變異系數(shù)低，性狀較為穩(wěn)定外，其余8項(xiàng)指標(biāo)性狀變異系數(shù)較大，各品種間差異明顯，存在廣泛變異。本文通過(guò)對(duì)22個(gè)海棠品種的葉片、花朵、果實(shí)、枝條和冠幅等20項(xiàng)主要性狀進(jìn)行主成分分析，得到果實(shí)性狀因子、枝條特征因子、生長(zhǎng)量特征因子和花性狀等6個(gè)主成分，代表了82.597%的信息量。以6個(gè)主成分與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建出觀賞海棠的綜合評(píng)價(jià)模型，利用該數(shù)學(xué)模型求出的各株系的綜合得分與實(shí)際表型性狀測(cè)量結(jié)果相一致。本研究主成分分析綜合評(píng)分在前10的依次有‘龍豐’‘白蘭地’‘朱丹’‘楊泰紅’‘紅麗’‘花紅’‘123’‘新疆’‘海紅果’和‘西農(nóng)-9’海棠；隸屬函數(shù)分析綜合評(píng)分前10的品種依次為‘白蘭地’‘龍豐’‘紅麗’‘朱丹’‘123’‘王族’‘絢麗’‘楊泰紅’‘花紅’和‘新疆’海棠。由此得出，基于主成分分析和隸屬函數(shù)分析2種方法得出的22個(gè)海棠品種枝葉和花果表型性狀綜合評(píng)價(jià)排序結(jié)果雖有一定的出入，但總體趨勢(shì)基本一致。