甘藍(lán)型油菜主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

尚麗平，趙衛(wèi)國，郭凱紅，張立堅，羅 斌，趙亞軍，王 灝

（陜西省雜交油菜研究中心，陜西楊凌712100）

0 引言

油菜作為中國第一大油料作物，在中國食用油供給安全和飼料蛋白保障等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。近年來，菜籽油的消費(fèi)量在全國食用植物油中所占比例日趨增大，菜籽油的產(chǎn)量占到國產(chǎn)食用植物油的45%左右，雖然中國油菜種植面積在2017年已超過660萬hm2，但菜籽油的產(chǎn)量仍然嚴(yán)重不足，菜籽油進(jìn)口比例從2013年開始就呈現(xiàn)逐年攀升的趨勢[4]。提高油菜單株產(chǎn)量是解決油菜供需矛盾的重要途徑之一，是油菜育種工作的重點(diǎn)。優(yōu)異的種質(zhì)資源是油菜新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，而優(yōu)異種質(zhì)資源的選擇和利用是基于對油菜種質(zhì)資源的系統(tǒng)分析和科學(xué)評價。明晰農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系是科學(xué)評價種質(zhì)資源進(jìn)而科學(xué)高效育種的關(guān)鍵。主成分分析和相關(guān)性分析是評價種質(zhì)資源和指導(dǎo)遺傳育種的有效手段[5-6]。主成分分析法可以對數(shù)據(jù)量較大的復(fù)雜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，并將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立且數(shù)目較少的綜合指標(biāo)，以達(dá)到簡化問題的目的[7]。主成分分析已廣泛應(yīng)用于小麥、水稻、大豆等作物的農(nóng)藝和品質(zhì)性狀分析的研究中。薛香[8]、趙鵬濤[9]等通過主成分分析將小麥的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行簡化；荊瑞勇[10]對18個水稻品種的8個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了主成分分析，獲得了反映水稻品質(zhì)綜合信息的3個主成分因子；常世豪等[11]對60個夏大豆品種的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，將12個農(nóng)藝性狀綜合為4個主成分因子。油菜產(chǎn)量性狀是多個產(chǎn)量組成性狀共同作用的結(jié)果，每個單一農(nóng)藝性狀不僅可以對目標(biāo)性狀產(chǎn)生直接影響，還會通過與其他農(nóng)藝性狀的間接作用共同影響油菜籽產(chǎn)量、效益和產(chǎn)值。通過主成分分析法可以將考查油菜群體獲得的眾多性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化，獲得對綜合效益貢獻(xiàn)最大的主成分因子，從而為育種過程中選擇優(yōu)質(zhì)親本提供依據(jù)。本研究選取利用小孢子培養(yǎng)構(gòu)建的DH系群體（共229份材料），連續(xù)3年對其性狀進(jìn)行考察，包括株高、分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量等性狀。通過相關(guān)性分析和主成分分析對該DH群體的諸多農(nóng)藝性狀進(jìn)行全面科學(xué)的分析評估，獲得影響油菜產(chǎn)量的主成分因子，旨在為下一步油菜高產(chǎn)品種選育提供理論指導(dǎo)和參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗時間、地點(diǎn)

試驗于2016年9月—2019年6月在陜西省雜交油菜研究中心（楊凌）試驗田進(jìn)行。

1.2 試驗材料

試驗材料以高硫苷材料S1為父本（硫苷含量53.31 μmol/g），低硫苷材料 S2為母本（硫苷含量27.16 μmol/g）。通過人工去雄進(jìn)行雜交得到F1，在F1代植株上采集單核靠邊期的花粉進(jìn)行小孢子培養(yǎng)，并用秋水仙素對形成的胚進(jìn)行染色體加倍，然后進(jìn)行成苗和生根培養(yǎng)，最終獲得227份DH純系，以親本S1和S2以及獲得的DH純系共229份材料作為本研究的試驗材料。

1.3 試驗方法

試驗對229份DH材料采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，種植2個重復(fù)，每重復(fù)種植2行，行長2 m，行距0.4 m，同時，每個小區(qū)邊行設(shè)保護(hù)行。每年5—6月待油菜即將成熟時對油菜農(nóng)藝性狀進(jìn)行考察。農(nóng)藝性狀考察時每個DH材料隨機(jī)選取5株進(jìn)行株高、主花序長度、主花序角果數(shù)、一次有效分枝高度、一次有效分枝數(shù)等農(nóng)藝性狀考察，并對考察農(nóng)藝性狀的5個單株進(jìn)行脫粒，統(tǒng)計單株生物學(xué)產(chǎn)量和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量。株高用直尺直接測量每株油菜頂端到地面的垂直高度；分枝高度為油菜主莖上第1個有效分枝到地面的垂直高度；一次分枝數(shù)為主莖上有1個以上有效角果的一次分枝的數(shù)目；主花序長度為主莖上從下往上第1個角果到植株頂部最后1個有效角果處的長度；主花序角果數(shù)為主莖上的有效角果數(shù)；考察農(nóng)藝性狀的5個單株收獲后，測量平均單株生物學(xué)產(chǎn)量和平均單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用DPS分析軟件對群體變異分析、相關(guān)性分析和主成分分析等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 DH群體及親本性狀表型分析

通過對連續(xù)3年親本和DH系株高、分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)等農(nóng)藝性狀和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量、單株生物學(xué)產(chǎn)量等表型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（表1）。從對DH群體2個親本不同農(nóng)藝性狀進(jìn)行顯著性分析，發(fā)現(xiàn)只有分枝高度和一次分枝數(shù)2個性狀達(dá)到了差異顯著水平，其余5個性狀的父本和母本的差異均不顯著。對比227份DH系與親本的農(nóng)藝性狀，株高、分枝高度、主花序長度、單株生物學(xué)產(chǎn)量和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量偏向于父本遺傳，而一次分枝數(shù)和主花序角果數(shù)偏向于母本遺傳。此外，對各個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量變異系數(shù)最大，達(dá)到32.53%，在育種上改良余地較大；其次為一次分枝高度，變異系數(shù)為31.90%；一次分枝數(shù)變異系數(shù)最小，僅為11.53%，改良的余地較小。

表1 親本及DH群體各性狀的表型分析

2.2 DH群體及親本相關(guān)性分析

對DH群體及親本的各農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表2），發(fā)現(xiàn)株高與分枝高度、主花序長度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量之間均呈極顯著正相關(guān)，且株高與主花序長度的相關(guān)系數(shù)最高為0.80，株高與一次分枝數(shù)呈負(fù)相關(guān)，但不顯著，相關(guān)系數(shù)僅為-0.08；分枝高度與主花序長度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量之間均呈極顯著的正相關(guān)，且分枝高度與主花序長度相關(guān)系數(shù)最高，為0.48，分枝高度與一次分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.32；一次分枝數(shù)與單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量之間均呈極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.23和0.17，與主花序長度呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.1；主花序長度與主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量間均呈極顯著正相關(guān)，且主花序長度與單株生物學(xué)產(chǎn)量的相關(guān)性最高，為0.63；主花序角果數(shù)與單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.47和0.43；單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量與單株生物學(xué)產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.88。

表2 DH群體7個農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性分析

2.3 DH群體及親本主成分分析

為了能更充分地揭示甘藍(lán)型油菜農(nóng)藝性狀間起主導(dǎo)作用的綜合指標(biāo)，對油菜DH群體7個農(nóng)藝性狀（株高、分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量）進(jìn)行主成分分析，并計算相關(guān)矩陣的特征值及相對應(yīng)特征向量的累計貢獻(xiàn)率。根據(jù)白志英等[12]的標(biāo)準(zhǔn)，選擇累計貢獻(xiàn)率≥85%來確定主成分。本研究在進(jìn)行主成分分析時，發(fā)現(xiàn)前4個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)到90.9%，基本涵蓋了7個農(nóng)藝性狀的全部信息。因此，可用前4個主成分反映甘藍(lán)型油菜7個農(nóng)藝性狀的信息（表3）。

表3 DH群體7個農(nóng)藝性狀之間的主成分分析

主成分1的特征值為3.82，對總的遺傳貢獻(xiàn)最大，貢獻(xiàn)率為54.56%，從對應(yīng)特征向量中，農(nóng)藝性狀對應(yīng)特征值從高到低依次是株高、單株生物學(xué)產(chǎn)量、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量、主花序長度、分枝高度、主花序角果數(shù)和一次分枝數(shù)。株高的特征向量值最大，為0.47，其次是單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量，為0.45，因此把第1主成分稱為株高因子，對應(yīng)的特征向量中主花序長度、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量較大，表明植株高的材料，其單株生物學(xué)產(chǎn)量和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量較高，但是考慮到植株高容易導(dǎo)致倒伏。因此，適當(dāng)提高植株高度可有效提高單株生物學(xué)產(chǎn)量和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量。

主成分2的特征值為1.37，貢獻(xiàn)率為19.57%，對應(yīng)的特征向量正值中一次分枝數(shù)最大，為0.77，因此，把第2主成分稱為一次分枝數(shù)因子。然而，特征向量負(fù)值最大的是分枝高度，為-0.45，在提高一次分枝數(shù)的同時可降低分枝高度，從而降低植株重心，增強(qiáng)植株的抗倒性。

主成分3的特征值為0.71，貢獻(xiàn)率為10.16%，對應(yīng)的特征向量值中主序角果數(shù)最大，為0.93，把第3主成分因子稱為主花序角果數(shù)因子。表明主花序角果數(shù)性狀應(yīng)該是一個相對獨(dú)立的性狀，改良主花序角果數(shù)對其他性狀影響不大。

主成分4的特征值為0.46，貢獻(xiàn)率為6.61%，對應(yīng)的特征向量正值中分枝高度最大，為0.72，把分枝高度稱為第4主成分因子。在對應(yīng)的特征向量中負(fù)值最大的是主花序長度，表明提高分枝高度時可有效縮短主花序的長度，這對于改良頂端倒伏的材料提供了很好的改良思路。

3 結(jié)論

本研究對229份DH純系甘藍(lán)型油菜的多個農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析與主成分分析，發(fā)現(xiàn)株高、分枝高度、主花序長度、單株生物學(xué)產(chǎn)量和單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量等5個性狀偏向于父本，而一次分枝數(shù)和主花序角果數(shù)偏向于母本。株高、分枝高度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，而一次分枝數(shù)與株高和分枝高度之間呈負(fù)相關(guān)，因此在育種的過程中適當(dāng)選擇株高較高、分枝數(shù)較多、主花序角果數(shù)多的親本材料，各個性狀之間的相關(guān)系數(shù)作為育種親本選擇依據(jù)可以提高選育品種的效率。主成分分析可將農(nóng)藝性狀綜合為株高因子、一次分枝數(shù)因子、主花序角果數(shù)因子和分枝高度因子，累計貢獻(xiàn)率達(dá)90.0%，基本涵蓋了油菜數(shù)量性狀的全部信息，因此在以豐產(chǎn)為主要目標(biāo)的育種過程中，主要考慮這4個因子可以在一定程度上提高油菜的產(chǎn)量。

4 討論

甘藍(lán)型油菜農(nóng)藝性狀的遺傳非常復(fù)雜，用于研究油菜遺傳分析的群體主要有F2、BC1、BC2等群體，但存在雜合位點(diǎn)顯性和非上位效應(yīng)，表型還受環(huán)境和細(xì)胞質(zhì)的影響，在研究油菜遺傳群體時很難獲得穩(wěn)定的表型[13]。利用小孢子培育技術(shù)構(gòu)建的油菜DH系具有高度純合性，避免細(xì)胞質(zhì)對表型的影響，可以在不同環(huán)境下對基因型進(jìn)行重復(fù)鑒定[14]，結(jié)果準(zhǔn)確、可靠。迄今為止，利用DH群體進(jìn)行遺傳分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用在油菜、小麥、水稻、大麥、煙草等作物上[15-17]。本研究連續(xù)3年跟蹤考察油菜DH群體農(nóng)藝性狀，得到的相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果可靠穩(wěn)定，對油菜品種選育具有重要的指導(dǎo)意義，同時獲得的大量可靠的DH系純合材料為油菜品種選育提供豐富的種質(zhì)資源。

在育種工作中，明晰農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性是根據(jù)目標(biāo)性狀選擇親本材料的前提。選擇育種材料時不是簡單地選擇某一材料的最優(yōu)性狀，也要兼顧與其顯著相關(guān)的其他性狀。通過不同農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析進(jìn)行綜合評估，方可在選擇中做到平衡，以免顧此失彼，同時，對育種材料進(jìn)行科學(xué)地評估也能提高育種效率。目前，許多有關(guān)農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀[18-19]的分析表明，株高、角果數(shù)、主花序長度、角粒數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)，可作為選擇高產(chǎn)育種親本材料的參考[19-20]，菜籽的蛋白含量和含油量之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，對高含油量育種有指導(dǎo)意義[21-22]。本研究對油菜DH系的株高、分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)、單株經(jīng)濟(jì)學(xué)產(chǎn)量和單株生物學(xué)產(chǎn)量進(jìn)行了相關(guān)性分析，株高與主花序長度顯著相關(guān)(0.80)，同時都與單株產(chǎn)量相關(guān)性很高，因此在以豐產(chǎn)為目標(biāo)的育種過程中，可優(yōu)先選擇植株高適度、主花序較長的材料作為目標(biāo)親本，同時重點(diǎn)關(guān)注株高或者主花序長度，以提高育種效率。油菜單株產(chǎn)量與一次分枝數(shù)之間呈顯著性負(fù)相關(guān)，這個結(jié)果與鄭本川等[23-24]的研究結(jié)果相反，可能是所選用研究材料和種植環(huán)境差異導(dǎo)致的。在相關(guān)性分析中，本研究DH系材料分枝高度與一次分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，因此可以降低一次有效分枝高度來增加分枝數(shù)量，以期增加油菜的抗倒性和角果數(shù)來提高產(chǎn)量，這個結(jié)果與張文英等[24]的研究結(jié)果一致，育種時可通過對分枝高度和一次分枝數(shù)進(jìn)行綜合考量，適應(yīng)油菜的機(jī)械化種植的需求。

在多指標(biāo)研究中，往往由于變量多，樣本量大，彼此間存在一定相關(guān)性，使所測得的數(shù)據(jù)在一定程度上重疊。變量較多時，在高維空間中研究樣本的分布規(guī)律較為復(fù)雜，主成分分析可以對群體較大的多個性狀進(jìn)行降維處理[25]，轉(zhuǎn)化成較少的幾個主成分，由于這幾個主成分提供了原性狀85%以上的信息，而且是綜合的、相對獨(dú)立的指標(biāo)體系，數(shù)值直觀、容易分析[26]。通過主成分分析將本研究中DH系群體7個農(nóng)藝性狀簡化成彼此互不相關(guān)的4個綜合指標(biāo)（主成分因子），累計貢獻(xiàn)率達(dá)90.9%，反映了該群體數(shù)量性狀的基本信息。第1主成分為株高因子，株高是影響油菜產(chǎn)量的重要因素，該結(jié)果與前人的研究結(jié)果一致[20,27]，在油菜品系的選育過程中，可適當(dāng)增加植株高度來提高產(chǎn)量。第2主成分為一次有效分枝數(shù)因子，增加分枝數(shù)可增加角果數(shù)以提高產(chǎn)量，在楊安中和張文英的研究中也得到了相同的結(jié)果，但相關(guān)性分析和主成分分析的結(jié)果均顯示一次分枝數(shù)與植株高度負(fù)相關(guān)，而株高與產(chǎn)量正相關(guān)，因此在以豐產(chǎn)為目的的育種過程中對一次分枝數(shù)的選擇需結(jié)合株高等其他相狀的特性綜合考量。第3主成分為主花序角果數(shù)因子，該結(jié)果與趙衛(wèi)國等[13]研究結(jié)果一致，主花序角果數(shù)越多產(chǎn)量越高，該因子是影響產(chǎn)量的重要因素。第4主成分為分枝高度因子，與單株產(chǎn)量呈負(fù)相關(guān)，該結(jié)果與鄭本川等[23]的研究不同，其原因可能是研究群體的差異性，本研究使用的是株高較低的群體，在結(jié)果中還可以看出分枝高度與主花序角果數(shù)負(fù)相關(guān)，一次分枝高度可能是通過影響主花序長度而影響產(chǎn)量?？傊?，在育種的過程中，這4個主要因子都可作為提高油菜產(chǎn)量的主要考察指標(biāo)。