基于投影尋蹤分類法評價43份澳大利亞甘蔗種質資源

趙 勇, 趙培方, 趙 俊, 趙麗萍, 昝逢剛, 姚 麗, 劉家勇

(云南省農業科學院甘蔗研究所，云南 開遠 661699)

種質資源評價是甘蔗雜交育種的重要工作,主要對工農藝性狀進行比較，為雜交利用提供參考。我國甘蔗雜交親本體系的建立主要基于引進種質資源與國內自主創制相結合[1]。國外甘蔗種質資源在我國甘蔗親本體系和雜交育種中占有重要地位[2]，外引親本對我國甘蔗品種改良發揮了重要作用[3-4]。據不完全統計，自20世紀50年代至2009年，我國利用引進種質育成的甘蔗品種有163個[3]。目前對甘蔗種質資源的研究主要集中在兩方面。一是表型評價[5-8]，即通過測量、比較表型性狀而實現評價和分類，是最直觀的評價；二是基于分子標記技術對遺傳基礎深入解析[9-13]。其中，研究甘蔗表型性狀主要采用綜合分析法[14-16],即通過比較單項指標以及指標之間的因果關系或相關性而對樣本加以分析。但不同因子對綜合評價的影響程度(即權重)主要憑研究者的經驗進行評判,往往受到研究者主觀性的影響[17-18]。

1974年Friedman和Turkey提出了投影尋蹤分類法(projectionpursuit clustering, PPC)[19]。所謂投影，就是從不同角度觀察數據，尋找能夠最大程度地反映數據特征和最能充分挖掘數據信息的最優投影方向[20]。其特點是在未知權重系數的情況下，通過把高維數據投影到低維(1～3維)子空間上[21]。該方法省去了專家打分評定的步驟，避免了專家打分的人為干擾，因此更為準確和便捷，在定量評價指標數據的處理上更具優勢。目前該方法已應用于水質評價[22]、環境質量綜合評價[23]、工業經濟[24]等方面。在農作物研究上的應用主要集中在作物補償效應[25]、水分利用評價[26]等，尚未見甘蔗上的應用報道。基于此, 本研究利用投影尋蹤分類法對引進的澳大利亞甘蔗種質資源進行評價，挖掘優異的種質資源，以期為我國甘蔗種質創新提供參考，同時也為甘蔗種質資源評價探索新方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試的澳大利亞雜交種質資源共計43份，其中，Q型40份、KQ型3份。

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗地與田間種植 試驗在云南省農業科學院甘蔗研究所育種基地進行。該試驗地為水田，海拔1 051.8 m，屬亞熱帶高原季風氣候，光照資源充足，年日照時數2 382 h，年均氣溫20 ℃，年均降雨量771.1 mm，年潛在蒸發量1 987 mm，無霜期341 d左右。2016年12月29日進行田間試驗(新植)。采用隨機區組設計，3次重復，行長4.0 m、行距1.1 m，每個種質、每個重復種植2行，每小區下芽52個，四周設保護行。試驗地管理同大田生產相一致。

1.2.2 農藝性狀調查 農藝性狀調查采用分級方法，主要基于本試驗的分級需要并結合育種經驗而設定指標參數范圍。2017年10月25日至27日，田間調查43份種質的株高、莖徑、有效莖、葉部病害嚴重度和總體長勢共5個農藝性狀。其中，葉部病害嚴重度指田間自然發病的花葉病、銹病、褐條病等葉部病害的綜合反映。之后由3～4名本研究團隊成員組成的分級小組以觀察到的性狀表現為分級依據，對小區種質群體進行整體評估、討論分級。每個性狀指標均分為5級，分級的數值范圍見表1。

表1 甘蔗種質資源重要農藝性狀的分級Table 1 Classification reference for important agronomic traits of sugarcane germplasm resources

1.2.3 品質性狀檢測 于2017年11月至2018年3月對43份種質進行錘度、蔗糖分、蔗汁糖分、簡純度和纖維分檢測。各個種質每次隨機檢測6條蔗莖(每重復3條蔗莖)，共檢測5次。其中，糖分、蔗汁糖分、簡純度和纖維分檢測參考Liu et al[27]的方法。

1.3 數據分析

利用Excel 2013整理數據。采用DPS統計分析軟件對各農藝性狀分級數據和主要品質性狀指標進行方差分析和基本參數估計；采用投影尋蹤分類法對43份種質資源進行投影方向和投影值大小分析，并基于投影值的聚類分析對各種質進行分類評價，以篩選優異種質。其中，農藝性狀指標原始分級數據先進行倒數處理，然后再進行相關統計分析。

2 結果與分析

2.1 主要工農藝性狀差異分析

2.1.1 農藝性狀 方差分析表明,各種質農藝性狀差異均極顯著(P<0.01)，變異系數在24.30%～35.21%之間，變異廣泛(表2)。

2.1.2 品質性狀 方差分析表明,各種質品質性狀間均存在極顯著差異(P<0.01)，變異系數在5.31%～11.99%之間(表3)。除纖維分變異較大外，其他變異較穩定。

表2 43份澳大利亞甘蔗種質主要農藝性狀差異比較1)Table 2 Analysis of variance on main agronomic traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差異達極顯著水平(P<0.01)。

表3 43份澳大利亞甘蔗種質主要品質性狀差異比較1)Table 3 Analysis of variance on main quality traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差異達極顯著水平(P<0.01)。

2.2 投影尋蹤分類法評價

2.2.1 投影方向分析 根據投影尋蹤分類法原理，投影方向各分量的大小反映了該指標對甘蔗種質綜合評價的影響程度。利用DPS統計分析軟件對43份參試種質的主要農藝性狀分級數據(倒數)和品質性狀(11月— 翌年3月均值)進行投影尋蹤分類法分析，得到各性狀的投影方向(圖1)。從圖1可見，葉部病害嚴重度對甘蔗綜合指標的影響最大，其次為甘蔗總體長勢；莖徑、有效莖、株高和蔗糖分的影響相當，纖維分和簡純度等其他品質性狀指標影響較小。

2.2.2 投影值計算 確定投影方向后，基于主要工農藝性狀的投影尋蹤分析，得到各甘蔗種質資源的投影值(圖2)。從圖2可以看出，43份種質投影值在0～2之間。其中，Q179最高(1.83)，Q72最低(0.32)，且各種質投影值大小差異顯著。

2.2.3 基于聚類分析對43份種質進行分類 基于參試種質投影值大小，采用系統聚類，以歐氏距離-WPGMA法對43份種質進行分類。在0.16～0.32的距離上可把43份種質分為5類(圖3)。其中，Ⅰ～Ⅴ類群分別有5、8、14、14、2個。進一步對各類群投影值進行分析表明，第Ⅰ～Ⅴ類群投影均值分別為1.41、1.73、1.02、0.72、0.37，且類群間存在顯著差異(表4)。第Ⅰ～Ⅳ類群投影值變異系數在2.78%～17.51%之間，第Ⅳ類群變異最大(17.51%)。第Ⅴ類群個數太少，故未統計變異系數。

2.2.4 判別分析 為了鑒別聚類結果是否可靠，采用多類逐步判別法對其進行判別(表5)。結果表明，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ類群判別準確率均為100.00%，第Ⅲ、Ⅳ類群判別準確率分別為92.86%、78.57%。根據判別分析原理可知，判別準確率越高，表明種質被正確分類的機率越大。從表5可以看出，每個種質被正確分類的概率都較高，平均判別準確率為90.70%。

圖1 甘蔗主要工農藝性狀的投影方向
Figure 1 Projection direction of major sugarcane industrial and agronomic traits

圖2 43份澳大利亞甘蔗種質綜合性狀投影值雷達圖
Figure 2 Radar map of comprehensive traits projection values on 43 Australian sugarcane germplasm

圖3 基于投影值的43份澳大利亞甘蔗種質聚類分析Figure 3 Cluster analysis of 43 Australian sugarcane germplasm based on projection values

類群個數投影值均值最大值最小值變異系數/%Ⅰ51.411.481.372.78Ⅱ81.731.831.594.81Ⅲ141.021.270.9212.18Ⅳ140.720.830.5217.51Ⅴ20.370.420.32

表5 聚類結果的判別檢驗Table 5 Discriminant test of clustering results

2.3 優異種質挖掘

從參試種質綜合投影值的聚類結果來看，第Ⅰ、Ⅱ類群綜合投影值較高，且判別準確率為100%。根據投影尋蹤原理，投影值越大，其綜合性狀表現越好，故篩選出13份優異種質(Ⅰ類群5份，Ⅱ類群8份)。從表6可以看出，13份種質蔗糖分分級在13.89%～16.02%之間；總體長勢分級在1.33～2.33之間；莖徑分級在2.33～3.00之間；有效莖分級在1.33～3.00之間；葉片病害分級在1.67～3.33之間；株高分級在1.00～2.67之間(3重復平均值)。綜合來看,主要工農藝性狀總體評價較好。

表6 13份優良種質投影值及原始性狀數據1)Table 6 Projection values and original trait data of 13 excellent Australian sugarcane germplasm

1)以上分級數據為3次重復平均值。

3 討論與結論

近年來，我國不斷引進國外甘蔗種質應用于育種[28]。因此，客觀評價引進種質對篩選優異種質具有現實意義。蒲光蘭等[29]研究了四川核桃種質資源堅果的數量性狀變異及概率分級，發現數量性狀分級數據1～5級出現的頻率符合正態分布；蔡志翔等[30]完善了桃種質資源托葉長度評價方法，同時提出了桃托葉長度分級指標；Zhao et al[31]將甘蔗總體長勢分為9級應用于新品種選育，發現在育種第一階段總體長勢遺傳變異大于錘度，應當利用總體長勢和錘度對親本進行選擇，以優化雜交組合。基于上述研究結果，本研究將重要農藝性狀分級法應用于甘蔗種質評價，發現43份澳大利亞甘蔗種質農藝性狀分級數據差異達到極顯著水平(P<0.01)，變異廣泛。

對43份澳大利亞甘蔗種質進行投影尋蹤分類法分析表明，甘蔗葉部病害、總體長勢的投影方向值最大，有效莖、莖徑、蔗糖分、株高等次之；簡純度和纖維分投影方向較小。根據投影尋蹤分類法原理，各指標對種質綜合評價的影響程度依次為總體長勢、有效莖、莖徑、蔗糖分、株高；簡純度和纖維分影響最低。育種中，葉部病害發生程度決定了甘蔗材料成為推廣品種的潛力，而總體長勢代表了甘蔗品種對環境的適應性水平。同時，選種時通常給予甘蔗糖分和產量較大的選擇壓力，其他品質性狀指標選擇壓力相對較小。投影尋蹤分類法較好地體現了各性狀指標的權重，客觀評價了各種質資源實際情況。43份種質主要農藝性狀變異系數在24.30%～35.21%之間，主要品質性狀變異系數在5.51%～11.99%之間，表明主要農藝性狀變異較廣、糖分品質變異較小。進一步說明投影尋蹤分類法確定主要農藝性狀有較高投影方向的合理性。根據投影值大小，篩選優良種質13份(Ⅰ、Ⅱ類群)，占全部種質數的30.23%；中等或以下的種質合計30份，占69.77%。說明在數量眾多的甘蔗品種資源中，表現優良的種質數量并不多，因此對數量眾多的種質資源進行客觀和有效的評價具有重要的意義。

通過對主要農藝性狀進行分級和檢測蔗糖分等品質性狀，本研究建立了以甘蔗葉部病害、總體長勢、有效莖、莖徑、株高和甘蔗糖分為主要權重的投影尋蹤分類法以評價甘蔗種質的方法，篩選了13份主要工農藝性狀優良(投影值較高)外引種質用于雜交育種。投影尋蹤分類法只要合理選擇評價指標,其評價結果符合實際,往往能達到預期效果，同時有利于提高種質精準評價和雜交利用的針對性。