基于主成分分析小豆種質資源的農藝性狀評價與應用

葛平珍， 余 娟， 何友勛， 趙 龍， 余 莉， 張時龍

(畢節市農業科學研究所， 貴州 畢節 551700)

0 引言

【研究意義】小豆(Vignaangularis)又名赤豆，屬豆科豇豆屬，其高蛋白、低脂肪、氨基酸種類齊全，為藥食兩用作物。100 g小豆籽粒中平均含有22.4 g蛋白質、1.2 g脂肪、58.6 g糖類和4.9 g粗纖維[1-2]；同時，小豆還含有豐富的維生素和礦質元素，富含黃酮、多酚、單寧等多種生理活性物質[3]。小豆原產我國，在我國已有2 000余年的種植歷史。目前，我國小豆種植面積較大且總產量最多，屬于我國重要的食用豆作物[4-6]。因此，開展小豆性狀評價研究，對于小豆品種選育與引種具有指導意義，對進一步促進小豆生產具有重要的現實意義。【前人研究進展】近年來，主成分分析運用于作物種質資源的綜合評價較多，在花生、小麥、大豆、紅麻、棉花、蕓豆、小豆、黃麻等作物上均有應用[7-14]。劉振興等[14]將主成分與聚類分析應用于小豆品種的綜合評價，簡化了小豆優劣的綜合評價體系。主成分分析是從構成性狀的多因素關系揭示供試材料的特點，了解其主成分構成及特征和生物學意義，可為材料的客觀評價和品種的引進或選育提供理論參考?！狙芯康那腥朦c】由于貴州省原有小豆品種產量較低，且品質一般，限制了小豆在貴州的種植。因此，擬通過對小豆種質材料進行性狀分析，篩選適合貴州山地特色的農藝性狀較好的小豆種質資源?！緮M解決的關鍵問題】在已有研究基礎上，選用自育或引進的24個小豆種質為材料，對小豆的9個農藝性狀進行相關性分析、主成分分析，得到農藝性狀的主成分組成，同時利用主成分得分和貢獻率計算綜合主成分得分，從綜合得分評價小豆種質的適應性，篩選出綜合農藝性狀表現良好的小豆種質資源，旨在為貴州省小豆品種的選育與引進提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗地概況 試驗于2020年4—8月在畢節市農業科學研究所試驗基地進行。試驗地地處N 27.1695 °、E 105.2787 °，海拔1 620 m，土質黃壤，前作空閑。

1.1.2 小豆品種(系) 供試小豆種質材料共24份，供試材料為國家食用豆產業技術體系2019—2021年小豆新品種聯合鑒定試驗品種(系)，來自國家食用豆產業技術體系綜合試驗站及功能實驗室。供試材料的名稱及2020年單株產量見表1。

表1 供試小豆種質材料的名稱、選育單位及單株產量

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 以小豆種質材料為處理對象，試驗采用隨機區組排列，3次重復。小區長5 m，寬2.5 m，小區面積12.5 m2，重復間走道0.8 m。每小區種植5行，穴播，行距0.5 m，穴距0.33 m，每穴留苗2株。試驗周圍種植保護行2行，小區全收記產。

1.2.2 指標測定 生育期：記載播種第2天到70%豆莢成熟時的天數。株高：收獲時測量從地面到主莖頂端的長度；主莖節數：從子葉節到最頂端展開葉片所在節的節數；主莖分枝：主莖上生長的結莢分枝數；單株莢數：10株樣本結莢的平均數。莢長：隨機取10個成熟豆莢，測定平均長度。單莢粒數：隨機取10個成熟豆莢，計算平均粒數。百粒重：取100粒稱重，2次重復，取其平均數。單株產量：10株樣本籽粒的平均重量。調查記載與考種事項參照《小豆種質資源描述規范和數據標準》中規定的項目進行。

1.3 數據統計

采用SPSS 21.0和DPS等進行數據相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 小豆主要性狀的描述性統計分析

從表2看出，不同品種在9個農藝性狀上均表現較大差異。變異系數由大到小依次為株高(23.38%)、單株產量(21.41%)、百粒重(18.01%)、主莖節數(17.24%)、主莖分枝(17.01%)、單株莢數(15.96%)、單莢粒數(11.15%)、莢長(10.39%)、生育期(1.56%)。說明小豆株高受基因型和環境影響最大，生育期受基因型和環境影響最小。

表2 24個小豆品種9個性狀的測量值

2.2 小豆主要農藝性狀與產量的相關性

從表3可知，小豆單株產量與株高、主莖節數、主莖分枝、單株莢數、莢長、百粒重呈極顯著正相關。百粒重與單莢粒數呈顯著負相關；單株莢數與株高呈極顯著正相關，與主莖分枝和主莖節數呈顯著正相關。其余性狀間也存在一定的相關性，各農藝性狀提供的信息發生重疊，且各指標在農藝性狀評價中的作用不盡相同，直接利用這些指標不能對小豆農藝性狀進行綜合評價。因此，將多個相互關聯的性狀通過降維轉換為少數幾個互相獨立的因子進行分析，使綜合評價更加科學合理。

表3 小豆各農藝性狀間的相關系數

2.3 小豆農藝性狀的主成分分析

從表 4看出，小豆農藝性狀的前4個主成分累計貢獻率為89.43%，能較好反映大部分遺傳差異信息，可用此4個主成分代替上述9個農藝性狀評價及篩選小豆品種。第一主成分的特征值為4.30，貢獻率為47.76%。決定第一主成分的主要是株高、主莖節數、主莖分枝、單株產量等性狀，均與小豆生長有關，可將第一主成分稱為生長因子。其特征向量間關系表明，小豆植株越高，則主莖分枝越多；主莖分枝和主莖節數越多，則小豆單株產量越高。

表4 小豆農藝性狀主成分的特征向量和貢獻率

第二主成分的特征值為1.81，貢獻率為20.11%，決定第二主成分的主要是單株莢數、單莢粒數、百粒重等與小豆產量有關的性狀。因此，將第二主成分稱為產量因子。其凝聚的向量關系表明，小豆生育期短，主莖節數少，分枝多，則其單株結莢越多；單莢粒數越多，則小豆百粒重越小。

第三主成分的特征值為1.03，貢獻率為11.48%，對該成分影響較大的是生育期、主莖節數及莢長，生育期越長，主莖節數越多，則小豆莢越長。所以稱第三主成分為莢長因子。

第四主成分的特征值為0.91，貢獻率為10.08%，對該成分影響較大的是生育期、單株莢數、單莢粒數。因此將第四主成分稱為生育期因子。向量關系表明：小豆生育期越長，主莖分枝多，限制植株高度，從而影響小豆單株莢數的增加；因小豆植株能承載重量有限，當小豆單株莢數越多時，單莢粒數則相對減少。

2.4 小豆品種(系)綜合評價

根據生長因子(ZY1)、產量因子(ZY2)、莢長因子(ZY3)和生育期因子(ZY4)4個主成分得分及其貢獻率構建小豆農藝性狀的綜合主成分評價模型(Y)：Y=0.447 6ZY1+0.201 1ZY2+0.114 8ZY3+0.100 8ZY4，并利用該數學模型計算24個小豆種質材料的綜合主成分得分。性狀主成分得分可直觀權衡每個主成分在每個品種中所處的位置及分量，從表5看出，在24個小豆種質材料中，生長因子得分排名前5的是編號為N14、N7、N13、N18、N5的小豆種質，得分分別為4.18、3.43、2.83、2.44、2.11，此5個材料的植株較高，主莖節數和主莖分枝數較多，單株產量較高。產量因子得分排名前5的是編號為N13、N6、N18、N16、N23小豆種質，得分分別為3.21、2.12、1.86、1.33、1.02，此5個種質的單株莢數和單莢粒數較多，但其百粒重較低；莢長因子得分排名前5的是編號為N23、N5、N19、N10、N2的小豆種質，得分分別為2.65、1.60、0.98、0.91、0.90，以上小豆種質的生育期較短，主莖節數較少，但莢較長；生育期因子得分排名前5的是編號為N15、N5、N2、N18、N7的小豆種質，得分分別為2.29、1.23、1.11、0.98、0.87，此種質的生育期較長，主莖分枝多，植株較矮，其單株莢數較少，但單莢粒數多。

從農藝性狀綜合主成分得分看，其分值越高，小豆的綜合農藝性狀越好。編號為N14、N13、N7、N18、N5的小豆品種綜合主成分得分排名居前5位，生育期較長，植株較高，主莖節數和主莖分枝較多，莢較長，單株莢數較多、單莢粒數和百粒重適中，或單株莢數和單莢粒數適中、百粒重較高，則小豆品種的單株產量較高。編號為N15、N22、N4、N11、N9的小豆種質綜合主成分得分列后5位，表明此5個種質的綜合農藝性狀較差。

綜上表明，不能只考慮某一性狀或隨機的幾個性狀，而應該進行系統科學的綜合評價。在畢節海拔1 600 m左右的區域內，蘇小豆1706、THM2011-28、保紅201219-1、渝紅豆4號、0921反-1-4-2-3-1等5個小豆種質資源的綜合主成分得分均大于1.0，綜合農藝性狀表現良好，可引進這些種質材料示范推廣應用。

3 討論

3.1 小豆種質間農藝性狀的差異

對24份小豆種質資源的生育期、株高、主莖節數、主莖分枝、單株莢數、莢長、單莢粒數、百粒重、單株產量等9項農藝性狀進行分析。結果表明，9項農藝性狀間均存在差異，株高的變異系數較大，為23.38%；單株產量次之，為 21.41%；生育期變異系數最小。表明在小豆新品種選育過程中株高、單株產量的選育空間較大；生育期的變異系數小，可選擇空間較窄。

3.2 小豆農藝性狀的主成分分析及綜合評價

主成分分析在小麥、玉米、花生等多種作物性狀評價與種質資源的綜合評價中廣泛應用，劉振興等[14]將主成分與聚類分析應用于小豆品種的綜合評價，簡化了小豆優劣的綜合評價體系。研究分析了24個小豆種質材料的9個農藝性狀，利用主成分分析將9個農藝性狀綜合成生長因子、產量因子、莢長因子、生育期因子4個獨立因子，此4個因子反映原變量89.43%的信息量，彼此間互不干擾，達到簡化與綜合的目的。根據生長因子(ZY1)、產量因子(ZY2)、莢長因子(ZY3)和生育期因子(ZY4)的主成分得分及其貢獻率，構建小豆農藝性狀的綜合主成分評價模型(Y)：Y=0.447 6ZY1+0.201 1ZY2+0.114 8ZY3+0.100 8ZY4，并利用該數學模型計算24份小豆種質資源的綜合主成分得分。N14、N13、N7、N18和N5小豆種質的綜合主成分得分排名居前5位，綜合表現良好，但與各主成分得分的排序存在差異。因此在進行品種選擇時，不能只考慮某一個或某幾個性狀，需進行全面系統科學的綜合評價。

4 結論

通過描述性分析、相關性分析及主成分分析，對24個小豆種質資源的農藝性狀進行綜合評價，結果表明，9個農藝性狀通過降維綜合成4個主成分，代表全部農藝性狀89.43%的信息。蘇小豆1706、THM2011-28、保紅201219-1、渝紅豆4號、0921反-1-4-2-3-1的綜合農藝性狀較好，下一步可將此5個種質在烏蒙山區不同海拔高度地區進行小面積適應性試驗，為進一步大面積推廣應用提供試驗依據；同時可將此5個種質作為小豆育種的基礎材料，以拓寬烏蒙山區小豆育種的種質選擇。