基于主成分與聚類(lèi)分析的小豆品種綜合評(píng)價(jià)

劉振興 周桂梅 陳健 李秋艷

摘要：為簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)體系、客觀地評(píng)價(jià)小豆品種的優(yōu)劣，采用相關(guān)、主成分及聚類(lèi)方法，對(duì)30個(gè)小豆品種11個(gè)主要性狀進(jìn)行分析。結(jié)果表明，11個(gè)性狀的變異系數(shù)在5.66%～26.38%，其中主莖分枝的變異系數(shù)最大，莢長(zhǎng)的變異系數(shù)最小。相關(guān)分析表明，單株產(chǎn)量與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)。主成分分析表明，11個(gè)主要性狀可用5個(gè)主成分來(lái)表述（累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.3955%）。主成分聚類(lèi)，篩選出單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重6個(gè)因子來(lái)代替原有的11個(gè)性狀指標(biāo)。因此，對(duì)小豆進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)時(shí)，可只考慮單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重這6個(gè)因子，簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)體系；經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，唐山本地的2個(gè)品種排在前2位，綜合性狀最好；來(lái)自東北的幾個(gè)品種位居最后。

關(guān)鍵詞：小豆；相關(guān)分析；主成分分析；聚類(lèi)分析；綜合評(píng)價(jià)

中圖分類(lèi)號(hào)：S521.04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

論文編號(hào)：cjas15020017

0引言

小豆（Vigna angularis）起源于中國(guó)，屬于醫(yī)食同源作物，是國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的出口創(chuàng)匯產(chǎn)品，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要經(jīng)濟(jì)作物及欠發(fā)達(dá)地區(qū)脫貧致富的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源。但生產(chǎn)上用種較混雜，優(yōu)良品種推廣較少，限制了小豆產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。因此引育高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)良新品種是育種工作的首要任務(wù)。

綜合評(píng)價(jià)是衡量一個(gè)品種優(yōu)劣的手段，它避免了以產(chǎn)量定標(biāo)準(zhǔn)的片面性。在小豆品種綜合評(píng)價(jià)方法上，不少學(xué)者采用了灰色關(guān)聯(lián)度法、基于熵權(quán)的多目標(biāo)決策法、GGE法，為小豆資源的合理利用及新品種示范推廣提供了理論依據(jù)。然而，這些方法沒(méi)有考慮相關(guān)性狀間的相互影響，評(píng)價(jià)結(jié)果與生產(chǎn)實(shí)際存在著一定的偏差。申慧芳和周桂梅運(yùn)用了主成分和因子分析方法，把多個(gè)相關(guān)性狀結(jié)合起來(lái)，綜合評(píng)價(jià)了小豆品種的優(yōu)劣，但沒(méi)能進(jìn)一步地進(jìn)行性狀主成分、主因子的聚類(lèi)，評(píng)價(jià)指標(biāo)較多，因此，這2種綜合評(píng)價(jià)體系還有待進(jìn)一步優(yōu)化。本研究在相關(guān)性狀分析的基礎(chǔ)，運(yùn)用主成分分析法對(duì)30個(gè)小豆品種進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)主成分進(jìn)行了聚類(lèi)，簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)因子，旨在為進(jìn)一步優(yōu)化品種綜合評(píng)價(jià)體系提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

參試材料為近年來(lái)國(guó)內(nèi)各育種單位育成的小豆新品種（系）和個(gè)別優(yōu)異的地方品種，共30份，品種名稱(chēng)及選育單位見(jiàn)表1。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013-2014年在唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)地進(jìn)行，數(shù)據(jù)分析采用2年試驗(yàn)結(jié)果的平均值。試驗(yàn)設(shè)30個(gè)處理，4行區(qū)，行長(zhǎng)5m，行距0.5m，株距16.7cm。3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。成熟后，小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取10株進(jìn)行田間和室內(nèi)考種。田間調(diào)查和室內(nèi)考種方法參照程須珍等。生長(zhǎng)期間田間調(diào)查全生育期（growing period，GP）、生育前期（days beforeflowering，DBF）和生育后期（days after flowering，DAF），室內(nèi)考種調(diào)查株高（plant height，PH）、主莖分枝數(shù)（numbers of branches，NOB）、主莖節(jié)數(shù)（node numberof main stem，NOS）、單株莢數(shù)（pod number per plant，PNP）、莢長(zhǎng)（pod length，PL）、單莢粒數(shù)（seed number perpod，SNP）、百粒重（100-seed weight，SW）和單株粒重（yield per plant，YPP）等。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)的分析；利用DPS 7.05軟件進(jìn)行相關(guān)性、主成分及聚類(lèi)分析；依據(jù)方差累計(jì)貢獻(xiàn)率≥90%的標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，以各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，對(duì)主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)，構(gòu)建小豆品種評(píng)價(jià)函數(shù)；主成分聚類(lèi)分析按歐式距離類(lèi)平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)。

2結(jié)果與分析

2.1不同品種小豆性狀分析

30個(gè)小豆品種的性狀統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。生育期指標(biāo)中，參試小豆品種全生育期范圍76～100天，生育前期36～53天，生育后期28～64天。其中，‘白紅3號(hào)的全生育期最短，僅為76天；‘唐紅37的最長(zhǎng)，全生育期為100天；‘唐山紅小豆和‘唐紅372個(gè)品種生育前期最短，僅為36天，而生育后期最長(zhǎng)，分別為63、64天。這2個(gè)品種生殖生長(zhǎng)期較其他品種長(zhǎng)，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。在農(nóng)藝性狀指標(biāo)中，株高的變幅39.0～79.7cm，主莖分枝2.1～6.1個(gè)，主莖節(jié)數(shù)13.7～18.9個(gè)。其中，‘吉紅7號(hào)的株高最矮，‘唐山紅小豆最高；‘白紅3號(hào)的主莖分枝最小，‘唐山紅小豆的分枝最多；‘龍小豆3號(hào)的主莖節(jié)數(shù)最小，‘唐山紅小豆的主莖節(jié)數(shù)最大。在產(chǎn)量性狀指標(biāo)中，單株結(jié)莢數(shù)范圍25.7～62.1個(gè)，莢長(zhǎng)6.1-8.0cm，單莢粒數(shù)5.2～8.0個(gè)，百粒重9.4～18.7g，單株產(chǎn)量14.7～38.0g。其中，‘吉紅10號(hào)的單株結(jié)莢最少，‘唐山紅小豆結(jié)莢最多；‘保紅2001-15的莢長(zhǎng)最短，‘泥河灣小豆的結(jié)莢最長(zhǎng)；‘保紅876-16、‘冀紅0001-7的單莢粒數(shù)最少，‘唐紅37的單莢粒數(shù)最多；‘白紅3號(hào)的百粒重最小，‘蘇紅11-1的最大；‘品紅2000-33的單株產(chǎn)量最低，‘唐紅37的單株產(chǎn)量最高。

變異系數(shù)是衡量性狀表現(xiàn)差異程度、變異范圍的量。參試的30個(gè)小豆品種性狀的變異系數(shù)存在明顯差異，變異系數(shù)由大到小依次為：主莖分枝>單株產(chǎn)量>單株結(jié)莢數(shù)>百粒重>株高>生育后期>單莢粒數(shù)>生育前期>主莖節(jié)數(shù)>全生育期>莢長(zhǎng)。主莖分枝、單株產(chǎn)量、單株結(jié)莢數(shù)、百粒重、株高和生育后期的變異系數(shù)較高，均在16%以上，這與河北省紅小豆品種資源、‘唐山紅小豆地方品種數(shù)量性狀遺傳變異基本一致，說(shuō)明這些性狀選擇的潛力大，受環(huán)境影響較大。莢長(zhǎng)、全生育期及主莖節(jié)數(shù)的變異系數(shù)較小，說(shuō)明這些性狀受本身內(nèi)在因素決定，受環(huán)境因素的影響較小。因此，改善環(huán)境，提高分枝數(shù)、單株結(jié)莢數(shù)、百粒重及控制株高是實(shí)現(xiàn)小豆高產(chǎn)的有效途徑。

2.2不同品種小豆性狀間的相關(guān)分析

由表3可知，株高與生育后期的正相關(guān)性最大（γ=0.8402），說(shuō)明生育后期越長(zhǎng)，小豆植株越高；單株莢數(shù)與生育期負(fù)相關(guān)最大（γ=-0.6585），說(shuō)明小豆生育前期越短，單株結(jié)莢數(shù)就越多。小豆的生育后期與全生育期呈極顯著的正相關(guān)，與生育前期呈極顯著的負(fù)相關(guān)；株高與全生育期、生育后期呈極顯著正相關(guān)，與生育前期呈極顯著負(fù)相關(guān)；主莖分枝與全生育期、生育后期、株高呈極顯著正相關(guān)；主莖節(jié)數(shù)與生育后期、株高高度正相關(guān)；單株結(jié)莢數(shù)與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)；單株粒重與全生育期、生育后期、株高、主莖分枝、單株結(jié)莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)。

可見(jiàn)，生育后期、株高、主莖分枝和單株結(jié)莢數(shù)是小豆最主要的形態(tài)性狀，與其他性狀保持高度正相關(guān)，這與申慧芳、韓粉霞、曾玲玲等的研究基本一致。因此，在小豆的種質(zhì)創(chuàng)新中，應(yīng)把這4個(gè)性狀作為首要性狀進(jìn)行選擇，然后再考慮莢粒數(shù)、百粒重等其他性狀；在生產(chǎn)中，應(yīng)優(yōu)化小豆栽培條件，調(diào)控株高，促進(jìn)主莖分枝能力，增加單株結(jié)莢數(shù)，延長(zhǎng)葉片功能期，為高產(chǎn)創(chuàng)造條件。

2.3不同品種小豆性狀間的主成分分析

對(duì)小豆品種的主要性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示前5個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為92.3955%（表4），表明前5個(gè)主成分已基本包含了小豆性狀的全部信息，可用前5個(gè)主成分對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第1主成分的特征值為5.4725，貢獻(xiàn)率為49.7504%。決定第1主成分的主要是生育后期，其次為單株結(jié)莢數(shù)、株高、單株粒重和主莖分枝，稱(chēng)為生育期因子。第2主成分的特征值為1.9478，貢獻(xiàn)率為17.7075%。決定第2主成分的主要是百粒重，其次為生育前期、生育期及單株粒重，稱(chēng)之為粒重因子。第3主成分的特征值為1.5528，貢獻(xiàn)率為14.1162%，起決定作用的是單株結(jié)莢數(shù)，稱(chēng)為莢數(shù)因子。第4主成分的特征值為0.6503，貢獻(xiàn)率為5.9118%，起決定作用的為單莢粒數(shù)，稱(chēng)為莢粒數(shù)因子。第5成分的特征值為0.5401，貢獻(xiàn)率為4.9096%，起決定作用的是主莖分枝，稱(chēng)為分枝因子。

2.4不同小豆品種的綜合評(píng)價(jià)

以各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，對(duì)主成分得分和相應(yīng)的權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)，構(gòu)建小豆品種評(píng)價(jià)函數(shù)γ=49.7504γ₁+17.7075γ₂+14.1162γ₃+5.9118γ₄+4.9096γ₅，計(jì)算各品種的綜合評(píng)價(jià)分值，分值越高表示該品種綜合評(píng)價(jià)越好。由表5可知，30個(gè)小豆品種中，‘唐紅37綜合評(píng)價(jià)最好，其次為‘唐山紅小豆和‘保紅947，‘白紅3號(hào)綜合評(píng)價(jià)最差。品種優(yōu)良排序結(jié)果與因子分析結(jié)果略有不同。

2.5小豆性狀指標(biāo)的主成分聚類(lèi)

根據(jù)主成分分析結(jié)果，對(duì)5個(gè)主成分中11個(gè)性狀指標(biāo)的特征向量采用歐式距離類(lèi)平均法（UPGMA）進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)。同居于一類(lèi)的性狀間具有密切的相關(guān)系，可用一個(gè)因素代表同一類(lèi)中的其他因素；單一性狀單獨(dú)聚類(lèi)的具有相對(duì)獨(dú)立性。聚類(lèi)結(jié)果表明，在最大距離為0.8788時(shí)將11個(gè)性狀指標(biāo)劃分為5類(lèi)（圖1）：（1）全生育期、莢長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)、生育后期、株高、單株粒重和百粒重；（2）生育前期；（3）主莖分枝；（4）單株莢數(shù)；（5）單莢粒數(shù)。結(jié)合性狀間的相關(guān)性分析結(jié)果，最終確定單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重6個(gè)因子來(lái)綜合評(píng)價(jià)小豆品種的優(yōu)劣。

3結(jié)論與討論

小豆主要性狀的變異系數(shù)在5.66%～26.38%，說(shuō)明性狀間存在豐富的多樣性；主莖分枝、單株產(chǎn)量、單株結(jié)莢數(shù)、百粒重、株高和生育后期的變異系數(shù)較大，且生育后期、株高、主莖分枝和單株結(jié)莢數(shù)與其他性狀保持高度正相關(guān)，因此，在品種選育上，應(yīng)把這4個(gè)性狀作為首要性狀進(jìn)行選擇；在生產(chǎn)中，應(yīng)優(yōu)化小豆栽培條件，調(diào)控株高，促進(jìn)主莖分枝能力，增加單株結(jié)莢數(shù)，延長(zhǎng)葉片功能期，為高產(chǎn)創(chuàng)造條件。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，‘唐紅37和‘唐山紅小豆綜合評(píng)價(jià)排名前2位，東北的幾個(gè)品種排在最后。劉振興曾指出‘唐紅37和‘唐山紅小豆株型高大、生育期偏長(zhǎng)的性狀不適應(yīng)當(dāng)代育種目標(biāo)，更不適合大面積生產(chǎn)利用，但它們具有良好的產(chǎn)量性狀，具有單獨(dú)保存的價(jià)值，可作為優(yōu)異資源進(jìn)行保留，王麗俠也提出同名種質(zhì)的‘唐山紅小豆具有單獨(dú)保存的價(jià)值。因此，在本地區(qū)大面積推廣的品種應(yīng)為排在第3位的‘保紅947，‘唐紅37和‘唐山紅小豆作為優(yōu)異資源進(jìn)行單獨(dú)保存。

試驗(yàn)結(jié)果表明，11個(gè)主要性狀可簡(jiǎn)化為生育期、粒重、莢數(shù)、莢粒數(shù)、分枝5個(gè)相互獨(dú)立的主成分，這5個(gè)主成分對(duì)變異的累積貢獻(xiàn)率達(dá)92.3955%。在此基礎(chǔ)上對(duì)30個(gè)小豆品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與因子分析的結(jié)果基本一致。對(duì)主成分進(jìn)行聚類(lèi)，結(jié)合性狀間的相關(guān)性分析，確定單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、主莖分枝、生育前期、株高和百粒重作為小豆品種綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)，簡(jiǎn)化了評(píng)價(jià)體系。

但是，小豆屬短日照作物，光溫敏感，性狀表現(xiàn)受外界環(huán)境影響較大。所以，基于表型性狀的綜合評(píng)價(jià)呈一定的地域性，評(píng)價(jià)結(jié)果也是相對(duì)的。主成分分析是將原來(lái)較多、彼此相關(guān)的因子轉(zhuǎn)換少量且彼此獨(dú)立的因子，從而達(dá)到簡(jiǎn)化多指標(biāo)分析的一種方法。在具體的評(píng)價(jià)中，由于所選的群體和研究的性狀不同，用主成分構(gòu)造的綜合性狀是有區(qū)別的。所選數(shù)據(jù)越多，評(píng)價(jià)結(jié)果越準(zhǔn)確。本試驗(yàn)是以小豆生育期及形態(tài)性狀為原始指標(biāo)，缺乏籽粒色澤這一主要的商品指標(biāo)及營(yíng)養(yǎng)成分含量，評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定的局限性，下一步將小豆籽粒的粒型、粒色及養(yǎng)分含量納入評(píng)價(jià)指標(biāo)，以完善小豆品種綜合評(píng)價(jià)體系。