甜高粱新品種（系）綜合評價與聚類分析

高進+蔡立旺+王永慧+施慶華+王海洋+王為+孫艷茹+陳建平

摘要：為客觀評價甜高粱新品種（系），提高其性狀改良進程。對2014—2015年全國高粱品種區(qū)試能源青貯組15個品種（系）的主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量品質(zhì)性狀進行了遺傳變異分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，絲黑穗病接種發(fā)病率變異系數(shù)最大，高達127.47%；主成分分析表明，前5個主成分的方差累積貢獻率達85.442%，已反映所列性狀的絕大部分變異信息；通過各品種（系）的主成分得分對參試品種（系）進行了聚類分析，結(jié)果將15個品種（系）分為四大類，同時對聚類結(jié)果進行判別分析，聚類正確率達100%；在聚類分析的基礎上對各類品種（系）的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀進行了多元方差分析，對各類品種（系）的綜合評價與性狀改良方向進行了探討。

關(guān)鍵詞：甜高粱；農(nóng)藝性狀；產(chǎn)量品質(zhì)性狀；遺傳變異；絲黑穗??；發(fā)病率；主成分分析；綜合評價

中圖分類號： S514.02 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）20-0093-05

高粱[Sorghum bicolor （L.） Moench.]是世界五大谷類作物之一，也是中國最早栽培的禾谷類作物之一。甜高粱是粒用高粱的一個變種，甜高粱除具有普通高粱的一般特征外，其莖稈中還含有大量的汁液和糖分，其籽粒可食用、飼用、釀酒，莖稈可飼用、制糖、釀酒、做飲料、提煉酒精等，稈渣還可制紙、制板、人造纖維等。甜高粱作為一種新興的飼料、糖料、能源作物，極具開發(fā)價值[1-4]。

聚類分析方法在研究作物品種資源的差異和分類方面已有不少應用，是一種比較可行的分析評價方法[5-7]。作物生物學性狀的聚類分析是其種質(zhì)資源評價的重要方面[8-9]。表型性狀的調(diào)查測定相對簡單、易操作，而且更直觀，是種質(zhì)資源研究的最基本方法，也是分類不可缺少的重要依據(jù)之一[10-11]。將差異顯著的N個性狀變換為既不具相關(guān)性又能反映原來多個性狀主要信息的綜合指標進行聚類分析，進而比較親本間的遺傳差異，達到歸類使用的目的[12-13]。本研究通過甜高粱新品種（系）在全國不同生態(tài)環(huán)境下的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的表現(xiàn)，采用多元統(tǒng)計分析方法，探討它們之間的量化關(guān)系，從而對各個參試品種（系）進行綜合評價和聚類分析，為甜高粱新品種（系）的推廣、高產(chǎn)高效栽培、品種的改良、品質(zhì)的提高提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甜高粱材料為2014—2015年全國高粱品種區(qū)試能源青貯組區(qū)試參試品種（系）。編號1～15的名稱依次為遼甜14-1、中科甜5號、311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜6號、遼甜14-3、吉甜雜2號、遼甜15-1、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、154A3×Pi571、遼甜15-4、晉甜1401、遼甜15-3。試驗分別安排在江蘇鹽城、內(nèi)蒙古赤峰、內(nèi)蒙古通遼、山西晉中、安徽蚌埠、湖南長沙、河南鄭州、山東濟南、吉林公主嶺、吉林吉林、遼寧沈陽、甘肅平?jīng)?、遼寧朝陽、河北石家莊14個試點進行。均采用直播的方式，隨機區(qū)組排列，3次重復，行長 5 m，小區(qū)面積不少于15 m2。收獲時，去掉兩側(cè)邊行（兩側(cè)各1行），收中間數(shù)行計產(chǎn)，收獲面積不少于10 m2，密度 75 000株/hm2。栽培管理略高于當?shù)匾话闼健?/p>

考察植株性狀有株高X1（cm）、莖粗X2（cm）、分蘗數(shù)X3（個）、生育期X4（d）、傾斜率X5（%）、倒折率X6（%）、穗長X7（cm）、穗粒質(zhì)量X8（g）、千粒質(zhì)量X9（g）、育性X10（%）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量X11（kg/hm2）、籽粒產(chǎn)量X12 （kg/hm2）、莖稈含糖錘度X13（%）、莖稈出汁率X14（%）、絲黑穗病接種發(fā)病率X15（%）共15個。

1.2 方法

采用變異系數(shù)、主成分分析、聚類分析、判別分析、多元方差分析方法[6]進行分析，以期找出具有生物學及專業(yè)意義的統(tǒng)計參數(shù)，為甜高粱新品種（系）進行綜合評價并制定性狀改良決策，為適應沿海灘涂飼料化利用提供有益的信息。數(shù)據(jù)處理采用SPSS 22.0軟件[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的遺傳變異分析

變異系數(shù)是測定作物各性狀受一定環(huán)境條件影響發(fā)生變異程度的一個指標，它能反映出作物性狀遺傳的基本動態(tài)。甜高粱品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的平均值與變異系數(shù)見表1。

由表1可以看出，絲黑穗病接種發(fā)病率變異系數(shù)最大，高達127.47%；其次是育性，為74.94%。由此可見，供試甜高粱品種（系）抗病性和育性具有較豐富遺傳多樣性，改良空間較大。平均生育期132.3 d，變異系數(shù)3.75%；莖稈出汁率平均為47.8%，變異系數(shù)3.91%，表明這2個性狀受外部環(huán)境因素及栽培條件的影響較小，主要受遺傳因子支配。其他性狀的變異系數(shù)依次為株高<穗長<莖稈含糖錘度<鮮質(zhì)量產(chǎn)量<籽粒產(chǎn)量<分蘗數(shù)<千粒質(zhì)量<莖粗<傾斜率<穗粒質(zhì)量<倒折率。

2.2 主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

表2顯示，株高（X1）與生育期（X4）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)，與倒折率（X6）呈顯著負相關(guān)；莖粗（X2）與千粒質(zhì)量（X9）呈顯著負相關(guān)；分蘗數(shù)（X3）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈極顯著正相關(guān)；生育期（X4）與倒折率（X6）呈極顯著負相關(guān)，與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負相關(guān)，與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)；倒折率（X6）與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈顯著負相關(guān)；穗粒質(zhì)量（X8）與籽粒產(chǎn)量（X12）呈極顯著正相關(guān)，與莖稈含糖錘度（X13）呈極顯著負相關(guān)；千粒質(zhì)量（X9）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負相關(guān)；鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）與莖稈出汁率（X14）呈極顯著正相關(guān)；其余性狀之間呈正或負相關(guān)性但均不顯著。由此可見，這些性狀間存在著正負、強弱相關(guān)錯綜復雜的關(guān)系，致使它們提供的相關(guān)信息出現(xiàn)重疊，不易尋求其簡明的變化規(guī)律，所以須進行主成分分析，以便找出影響各個性狀的主成分。endprint

2.3 主成分分析

利用表2中得到的相關(guān)系數(shù)矩陣進行主成分分析，結(jié)果提取前5個主成分，其累積方差貢獻率達85.442%，已代表所考查性狀的絕大部分相關(guān)信息。由相關(guān)系數(shù)矩陣的前5個特征值及相應的特征向量計算所得的主成分載荷矩陣如表3所示。

這些載荷表示該因子對變量的影響程度，如株高性狀值=0.706f1-0.241f2+0.543f3+0.153f4+0.202f5；莖粗性狀值=0.213f1+0.089f2+0.452f3-0.745f4-0.382f5等。共同度表示所選主成分對變量方差的貢獻率，其數(shù)值大小表明所選主成分能反映該變量變異信息的多少。因此從表3可以看出，共同度最小的為傾斜率（59.9%），其次是穗長（696%）、莖稈出汁率（70.6%）、莖稈含糖錘度（77.8%），其余各性狀的共同度均超過80%，表明所選的5個主成分能較好地反映這些性狀所包含的相關(guān)信息。

基于求得的主成分載荷矩陣（表3）及各性狀的標準化值，按式F=A×Z[其中F 、A 、Z 依次為主成分得分、載荷矩陣參試品種（系）的因子得分值、樣本矩陣的標準化]計算各參試品種（系）的主成分得分，結(jié)果見表4。

2.4 聚類分析

根據(jù)所選15個主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量品質(zhì)性狀，對15個區(qū)試品種（系）進行聚類。首先利用主成分將15個性狀在保留它們變異總信息量85.442%的前提下濃縮為5個主成分，再將所選各性狀進行標準化， 進一步利用5個主成分和各性狀的標準化值計算供試品種（系）相對應于第1 、第2 、第3、第4、第5 主成分上的得分，在此基礎上進行系統(tǒng)聚類[品種間相似性尺度用閔式（minkowski）距離P表示，P=15，聚類方法用離差平方和表示]，系統(tǒng)聚類結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，15個品種（系）可以聚為四大類。第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、遼甜15-4；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3；第Ⅳ類包括中科甜5號、吉甜雜2號、遼甜15-1。

2.5 判別分析

為了驗證上述聚類分析結(jié)果的準確合理性，基于聚類結(jié)果，以5個主成分作為判別變量，采用一般判別分析方法，建立判別函數(shù)（表5）。根據(jù)判別函數(shù)，對參試品種（系）重新判別歸類，判別結(jié)果見表6。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，類別Ⅰ共有7個品種（系），用判別函數(shù)回代分類，與實際相符也是7個品種（系），沒有錯分，判別的準確率為100%；同樣類別Ⅱ、類別Ⅲ、類別Ⅳ判別的準確率也均為100%。由此可見，上述聚類分析結(jié)果準確可靠。

2.6 不同類型品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的多元方差分析

由表7可以看出，第Ⅰ類7個品種（系）的平均株高中等，為353.2 cm；莖粗為2.3 cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個；生育期中等，為132.5 d；倒折率中等，為16.2%；穗粒質(zhì)量最高，為67.7 g；千粒質(zhì)量中等，為27.5 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為 73 636.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最高， 為4 318.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度最低，為16.4%；莖稈出汁率中等，為47.2%；絲黑穗病接種發(fā)病率較低，為7.1%，對于這類品種（系）應重點改良莖稈含糖錘度、鮮質(zhì)量產(chǎn)量等方面，同時提高抗倒伏性，以滿足市場需求。

第Ⅱ類2個品種（系）的平均株高中等偏下，為 339.8 cm；莖粗最細，為2.1 cm；分蘗數(shù)最少，為1.2個；生育期中等，為133.5 d；倒折率中等偏低，為13.4%；穗粒質(zhì)量中等，為59.2 g；千粒質(zhì)量最高，為31. 5 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為75 916.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等，為3 853.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度最高，為18.6%；莖稈出汁率最低，為46.9%；絲黑穗病接種發(fā)病率最低，為0.4%，屬優(yōu)質(zhì)品種（系）。對此類品種（系），應重點提高產(chǎn)量。

第Ⅲ類3個品種（系）的平均株高最高，為364.1 cm；莖粗為2.3 cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個；生育期最長，為137.8 d；倒折率最低，為13.2%；穗粒質(zhì)量最低，49.5 g；千粒質(zhì)量最低，為23.7g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最高，為83 698.5 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最低，為3 448.5 kg/hm2；莖稈含糖錘度較高，為17.4%；莖稈出汁率最高，為50.3%；絲黑穗病接種發(fā)病率中等，為128%，這類品種（系）產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好。

第Ⅳ類3個品種（系）的平均株高最低，為324.3 cm；莖粗中等，為2.2 cm；分蘗數(shù)最多，為1.5個；生育期最短，為125.3 d；倒折率最高，為21.2%；穗粒質(zhì)量中等，為58.3 g；千粒質(zhì)量中等偏低，為25.1 g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最低，為 70 098.0 kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等偏低，為3 612.0 kg/hm2；莖稈含糖錘度中等偏低，為16.9%；莖稈出汁率中等，為470%；絲黑穗病接種發(fā)病率最高，為43.2%，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系），且易倒伏。對這類品種（系）除著重提高產(chǎn)量外，同時加強品質(zhì)改良。

3 結(jié)論與討論

本研究對能源青貯組區(qū)試新品種（系）株高、莖粗、分蘗數(shù)、生育期、傾斜率、倒折率、穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、育性、鮮質(zhì)量產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、莖稈含糖錘度、莖稈出汁率、絲黑穗病接種發(fā)病率共15個數(shù)量性狀進行研究，經(jīng)主成分分析歸屬于5個主成分，其累積方差貢獻率達85.442%。主成分分析對這15個錯綜復雜關(guān)系的性狀進行了有效降維，能夠準確反映原性狀的主要信息。在此基礎上計算各品種（系）在主成分上的得分值，據(jù)此進行聚類分析，同時對聚類結(jié)果進行判別分析，驗證聚類分析結(jié)果的準確性。

在主成分分析的基礎上進行聚類分析，將15個區(qū)試甜高粱品種（系）聚為四大類，第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、遼甜15-4，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等偏低，莖稈含糖錘度低，較易倒伏，抗病性較好；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，莖稈含糖錘度和抗病性好，屬中產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種（系）；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量高，莖稈含糖錘度和抗病性較好，屬產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好的品種（系）；第Ⅳ類包括中科甜5號、吉甜雜2號、遼甜15-1，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量低，易倒伏，莖稈含糖錘度偏低，絲黑穗病接種發(fā)病率高，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系）。endprint

主成分分析和聚類分析被廣泛用于研究種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系，但由于是通過利用生物學性狀的途徑進行的，而生物學性狀個體量綱不一致，因此在利用統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析時，須對數(shù)據(jù)先進行標準化，再進行主成分分析和聚類分析，否則可能得出錯誤結(jié)論[15]。

本研究甜高粱生物學性狀數(shù)據(jù)來源于國家區(qū)域試驗，由于這些性狀不是在同一時期內(nèi)測定，并且表型性狀容易受環(huán)境條件的影響而變動，因此有其不足之處，可能難以詳細準確地闡明品種（系）間的差異。

參考文獻：

[1]盧慶善. 甜高粱[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學技術(shù)出版社，2008.

[2]劉曉輝，高士杰，楊 明，等. 淺談甜高粱的利用價值[J]. 種子，2006，25（9）：98-99.

[3]曹文伯. 我國甜高粱種質(zhì)資源鑒定及利用概況[J]. 植物遺傳資源科學，2001，2（1）：58-62.

[4]張麗敏，劉智全，陳冰嬬，等. 我國能源甜高粱育種現(xiàn)狀及應用前景[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學學報，2012，17（6）：76-82.

[5]張彩英，張麗娟，段會軍，等. 大豆種質(zhì)資源的分類鑒定研究[J]. 中國油料作物學報，2002，24（1）：33-37.

[6]高 進，蔡立旺，宋錦花，等. 早熟棉花品種產(chǎn)量品質(zhì)性狀的綜合評價與聚類分析[J]. 西南農(nóng)業(yè)學報，2015，28（6）：2425-2431.

[7]馮國郡，李宏琪，葉 凱，等. 甜高粱種質(zhì)資源在新疆的多樣性表現(xiàn)及聚類分析[J]. 植物遺傳資源學報，2012，13（3）：398-405.

[8]陳常理，駱霞虹，廖球林，等. 農(nóng)家紅花油茶種質(zhì)產(chǎn)量和果實性狀主成分聚類分析及綜合評價[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報，2015，27（11）：1882-1888.

[9]邵初陽，何曉蘭，徐照龍，等. 甜高粱種質(zhì)資源多樣性及主要農(nóng)藝參數(shù)聚類分析[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學報，2015，31（5）：984-994.

[10]Mazzucato A，Papa R，Bitocchi E，et al. Gentic diversity，structure and marker-trait associations in a collection of Italian tomato （Solanum lycopersicum L.）landraces[J]. Theoretical and Applied Genetics，2008，116（5）：657-669.

[11]陶萌春. 硃砂根（Ardisia crenata）居群的形態(tài)特征變異及聚類分析[J]. 植物資源與環(huán)境學報，2010，19（4）：43-49.

[12]孫長法，趙 暉，陳榮江. 棉花新品種產(chǎn)量品質(zhì)性狀的聚類分析與綜合評價[J]. 西北農(nóng)業(yè)學報，2010，19（4）：77-81.

[13]宋世威，廖國秀，劉厚誠，等. 不同芥藍品種產(chǎn)量及品質(zhì)性狀聚類分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2011，27（19）：161-165.

[14]張文彤. SPSS統(tǒng)計分析高級教程[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[15]平俊愛，張福耀，杜志宏，等. 飼草高粱部分不育系和恢復系的聚類分析[J]. 中國農(nóng)學通報，2014，30（2）：50-54.endprint