甜高梁種質資源主要農藝性狀的主成分及聚類分析

2019-07-10 01:03:17王官趙威軍張陽邵榮峰張偉薛丁丁范國華王磊

農學學報 2019年5期

王官　趙威軍　張陽　邵榮峰　張偉　薛丁丁　范國華　王磊

摘要：為了解甜高粱種質資源的多樣性，充分挖掘利用其有益基因，提高甜高梁育種效率。本試驗對15份甜高梁種質資源的7個農藝性狀進行遺傳變異、相關性、主成分及聚類分析。結果表明：7個農藝性狀中錘度變異系數最大，為31.22%;莖粗變異系數最小，為7.73%。相關性分析結果顯示，株高與莖粗呈極顯著負相關，與穗粒重、千粒重呈弱負相關;錘度與其他6個性狀相關性較弱。主成分分析結果表明，株型因子、籽粒產量因子、錘度因子累計貢獻率達83.115%，可基本反映7個農藝性狀的遺傳信息。通過聚類分析將15份甜高粱種質資源分為4大類，各類群間農藝性狀差異明顯，其中第Ⅲ、第Ⅳ類群性狀優良，可作為核心種質資源進一步挖掘利用。

關鍵詞：甜高梁;農藝性狀;主成分分析;聚類分析;遺傳變異

中圖分類號：S514

文獻標志碼：A

論文編號：cjas19010006

0引言

甜高梁（Sorghum bicolor L.Moench），又稱甜稈、蘆粟、糖高粱，是普通粒用高梁的一個變種，具有生物產量高、含糖量高、抗逆性強等特點[1-2]，既可作為糧食作物、糖料作物，又可作為飼料作物和能源作物[3]。2016年農業農村部關于《全國種植業結構調整規劃（2016-2020）》中將甜高梁列為主要發展的優質飼草料[4]，2017年山西省農業農村廳制定的《山西省雜糧產業振興規劃》（2017-2020）也將甜高梁列為重點發展作物[5]。因此，在山西地區加強甜高梁研究具有重要的現實意義。

甜高梁種質資源的多樣性是其種質創制、品系選育的重要基因來源，是培育高產、優質雜交種的重要物質基礎[2，6]。加強種質資源遺傳多樣性研究，不僅有助于了解甜高梁種質資源的遺傳背景及親緣關系，也可為資源的合理開發利用提供理論依據[7]。目前，對甜高梁資源多樣性研究主要通過形態學標記和分子標記。A.H.Assar等[8]利用SSR分子標記對來源于蘇丹、印度及美國的96份種質資源進行遺傳多樣性分析結果表明，利用分子標記的研究結果與地理來源和表型性狀相符;Ali等[9]對72份甜高粱材料SSR分析得到的聚類結果與己知家譜和遺傳背景信息相吻合;趙香娜等[6，10]對206份國內外甜高粱種質資源分析結果表明，甜高梁遺傳多樣性豐富，且隨著生育期的變長其生物產量和含糖錘度有所提高。

總體上看，目前甜高梁種質資源評價和育種研究基礎還相對薄弱，多數研究集中于國內外核心種質材料，而對自主創制品系材料的形態類型、特征優勢的研究還相對較少。因此，本研究通過對15份甜高梁種質資源的7個農藝性狀進行遺傳變異、相關性、主成分及聚類分析，以期為甜高梁種質資源利用和遺傳育種提供參考依據。

1材料與方法

1.1試驗時間、地點

試驗于2018年在山西省晉中市修文鎮（山西省農業科學院高梁研究所東白試驗基地）試驗田進行。甜高粱全生育期月平均氣溫19.96C，月平均降雨量20.13 mm，光照充足，土壤為壤土，肥力中等，前茬為玉米。

1.2試驗材料

供試15份甜高梁種質資源名稱及來源，見表l。

1.3試驗方法

1.3.1試驗設計試驗采用完全隨機區組設計，3次重復，每次重復為1個小區，小區面積為4 m2（5 mx 0.8 m）。2018年4月27日采用人工條播方式種植，株行距為0.2 mx0.4 m，播前施農家肥45m3mm2、復合肥（N、P、K含量分別為28%、15%、8%）600 kg/hm2，整個生育期不再追肥。全生育期間除草2次、灌溉1次，其他管理同常規大田。

1.3.2測定項目收獲時，每小區隨機選取10株統計測定株高、莖粗、穗柄長、穗長、穗粒重、千粒重，用手持式錘度儀測量含糖錘度。

1.3.3統計分析采用Excel 2007計算15份甜高粱種質資源7個主要農藝性狀的均值、變異系數等，運用SPSS 20軟件進行相關性、主成分及聚類分析。

2結果與分析

2.1甜高粱農藝性狀遺傳變異分析

表2表明，不同甜高梁材料其農藝性狀間存在差異。7個農藝性狀的變異系數從大到小依次為：錘度>株高>粒重>穗柄長>穗粒重>穗長>莖粗。其中，錘度和株高變異系數最大，分別為31.22%和24.32%;其次為千粒重、穗柄長、穗粒重、穗長，變異系數分別為21.23%、20.31%、18.59%、14.29%;變異系數最小的為莖粗，僅為7.73%。以上結果表明，15份甜高梁種質材料在錘度和株高兩性狀上變異豐富，性狀選擇潛力較大。

2.2甜高粱農藝性狀相關性分析

由表3可知，甜高粱7個農藝性狀之間存在彼此影響、相互制約的關系。其中，株高與穗柄長、錘度呈正相關，與莖粗、穗長、穗粒重、千粒重呈負相關，且與莖粗、穗長相關性水平達極顯著;莖粗與穗長、穗粒重呈正相關，與穗柄長、千粒重、錘度呈負相關，且與穗柄長、穗長相關性達極顯著;穗柄長與穗長、穗粒重、千粒重、錘度呈弱負相關;穗長與穗粒重、千粒重、錘度呈弱負相關;穗粒重與千粒重呈顯著正相關，與錘度呈弱負相關;千粒重與錘度呈弱正相關。可見不同性狀之間存在信息重疊，可以對這些性狀變量進行降維處理。

2.3甜高梁農藝性狀主成分分析

采用SPSS 20軟件對供試材料7個性狀進行主成分分析，分析結果（見表4）顯示，在所有主成分構成中特征值大于1的有3個，分別命名為MF1、MF2、MF3。其中，MF1的特征值為2.800，貢獻率為39.994%;MF2的特征值為1.823，貢獻率為26.039%;MF3的特征值為1.196，貢獻率為17.082%;前3個主成分累積貢獻率達83.115%。表明提取的3個主成分基本可以概括反映供試材料的7個農藝性狀因子信息。

旋轉后因子載荷矩陣表5表明，在MF，中，載荷較高且為正值的性狀為莖粗、穗長，載荷值分別為0.914和0.820，載荷較高且為負值的性狀為株高、穗柄長，載荷值分別為-0.848和- 0.614。此結果表明，株高、穗柄長與莖粗、穗長呈負相關關系，這與相關性分析結果相一致，且株高、莖粗、穗長、穗柄長這些性狀主要與植株株型有關，因此可稱MF1為株型因子。在MF2中，載荷較高的性狀為穗粒重、千粒重，載荷值分別為0.893和0.867，且均為正值。這說明穗粒重與千粒重呈正相關關系，這些性狀均與植株籽粒產量有關，因此可稱MF2為籽粒產量因子。在MF3中，載荷最高的為錘度，載荷值為0.887，因此稱MF3為錘度因子。

2.4聚類分析

采用SPSS 20統計軟件對15份甜高梁種質資源進行系統聚類分析，在歐氏距離為5處分為4大類（見圖1），各類群間農藝性狀差異明顯。第1類包含‘糖479B'1份材料，該類群植株高度中等，長穗柄，籽粒產量較高，低甜;第II類包含‘閔革甜高梁B、‘E656/sug中桿2份材料，該類群檀株莖稈矮壯，長穗，籽粒產量較高，低甜;第III類包含‘帚選黃株矮/品02283、‘馮FH59、‘038/sug中桿、‘晉五/sug中桿、‘哈T-l、‘sug中桿6份材料，該類群植株莖稈高細，短穗，較甜;第Ⅳ類包含‘海糖、‘中興653411、‘濟甜1號、‘高SG92、‘14054、‘高T34共6份材料，該類群主要特征為莖稈高，籽粒輕且籽粒產量低，中甜。

3結論

（1） 15份甜高梁種質資源的農藝性狀間存在差異，遺傳多樣性豐富，且不同性狀間相互影響，彼此制約。7個農藝性狀變異系數從大到小依次為：錘度>株高>千粒重>穗柄長>穗粒重>穗長>莖粗。相關性分析表明，株高與莖粗、穗長呈極顯著負相關;莖粗與穗長呈極顯著正相關，與穗柄長呈極顯著負相關;穗粒重與千粒重呈顯著正相關，其他性狀間相關性均不明顯。

（2）7個農藝性狀依據主成分分析提取為株型、籽粒產量、錘度3個因子，其累計貢獻率達83.115%;系統聚類法將15份甜高梁種質資源分為4大類，各類群間性狀既存在著差異又有一定相似。

4討論

遺傳多樣性又稱基因多樣性，是生物多樣性的基本組成部分，是生態多樣性和物種多樣性的基礎，通過遺傳多樣性研究可從整體上把握甜高梁種質資源，為甜高梁品系改良和選育提供重要信息支撐[11-13]。

2008年中國農業科學院作物科學研究所趙香娜等[14]對206份國內外甜高梁種質資源統計分析結果表明，錘度、株高變異系數較高，分別為47.02%和20.92%：2015年邵初陽等”[15]對南京地區種植的88份國內外甜高梁種質資源的7個主要數量農藝性狀進行調查與測定，結果顯示錘度變異系數高達38.14%;2018年楊珍等”[16]對甘肅1 1份甜高梁8個農藝性狀進行遺傳多樣性分析，結果表明株高變異系數最大，為19.44%。本研究通過對15份甜高梁種質資源的7個農藝性狀進行遺傳變異分析，結果顯示不同甜高梁材料其農藝性狀間存在較大差異，7個性狀除莖粗外，其余性狀變異系數均在14%以上，表現出了豐富的遺傳多樣性，而株高、錘度變異系數最大，分別為24.32%和31.22%，這與上述研究結果基本一致，均認為甜高梁在株高、錘度性狀上可以通過品種改良和栽培措施改善而獲得較大程度的提高。

相關性分析是了解多個性狀間是否相關、相關性質及密切程度的一種多元統計分析方法[17-18]。本研究對供試材料的7個農藝性狀相關性分析結果顯示，株高與莖粗呈極顯著負相關，與穗粒重、千粒重呈弱負相關，這表明甜高梁隨著株高的增加，一方面莖稈會變細，另一方面籽粒產量也會下降。另外，本研究還發現錘度與株高、莖粗、穗柄長、穗長、穗粒重、千粒重6個性狀相關水平較弱，這與馮國郡、劉洋等[19-20]研究結果相一致。因此，在甜高梁育種過程中應注意各性狀因子間的平衡協調。

主成分分析法也稱因子分析法或主分量分析法，利用降維思想將多個相關指標轉化為少數幾個獨立綜合因子，依據各因子貢獻率大小確定其重要性，即用少數的變量因子來概括解釋所有變量信息[21-23]。本研究通過主成分分析將15份甜高梁種質資源的7個性狀提取為3個主成分，即株型因子、籽粒產量因子、錘度因子，3個因子累計貢獻率達83.115%，此研究與劉翔宇等[24]在新疆地區對甜高梁主成分分析結果相類似，均認為植株株型、籽粒產量、錘度3個因子可基本反映甜高梁主要農藝性狀的遺傳信息。

本研究依據遺傳距離大小將15份甜高梁材料分為4大類。第1類植株高度中等，長穗柄，籽粒產量較高，低甜;第II類植株莖稈矮壯，長穗，籽粒產量較高，低甜;第1II類植株莖稈高細，短穗，較甜;第Ⅳ類植株莖稈高，籽粒輕且籽粒產量低，中甜;各類群間既存在著差異也有一定相似。其中，第1、第II類群均表現出籽粒產量高的優勢，而第III、第Ⅳ類群則表現出莖稈產量高、錘度高的優勢.二者之間存在著明顯的性狀互補，這說明兩大類群間遺傳距離較大，親緣關系較遠。李振武等[25-26]研究表明，甜高梁在莖稈產量、籽粒產量和錘度上均有較高的遺傳力。因此，本研究認為將第1、第II類群和第1II、第Ⅳ類群二者進行雜交出現新品系概率較大。

綜上可見，不同甜高梁種質資源其農藝性狀間存在著較大差異，且不同性狀間相互影響、彼此制約。因此在甜高梁新品系改良或選育過程中，應根據不同的育種目標有針對性地篩選基礎材料，突出主因子兼顧輔因子，協調好各性狀間的關系，方可提高種質資源利用率，實現綜合性狀最優化。

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