基于主成分和系統聚類分析法對高粱雜交組合的綜合評價

韓永亮， 張清華， 羅河月， 郭 群， 崔江慧， 常金華， 方路斌*

(1.邯鄲市農業科學院， 河北 邯鄲 056000； 2.河北農業大學 農學院， 河北 保定 071001， 3.河北漢青種業有限公司， 河北 滄州 061000)

0 引言

【研究意義】高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]是繼小麥、水稻、玉米和大麥之后的世界第五大禾谷類作物[1-4]，其籽粒富含淀粉、蛋白質和礦物質等營養成分。作為一種高產、穩產禾本科C4作物，高粱具有較高的光合效率，較強的抗旱、抗澇及耐鹽堿等特性，在平原、山丘、澇洼地和鹽堿地均可種植[1]。高粱品種多樣，用途廣泛，是釀造、食用、飼用、制糖和造紙等行業的重要原料，具有較高的實用價值[2]。產量和品質是衡量高粱新品種使用價值的重要標準，高粱產量和品質性狀的提高有賴于各農藝性狀和其他生物性狀的不斷改良與共同協調[3]。探究高粱各性狀對產量和品質影響的主次關系，可更有效地改良目標性狀，對選育高產和優質高粱品種具有重要現實意義?！厩叭搜芯窟M展】主成分分析是目前作物雜交組合綜合評價的主要方法之一。喬婧等[4]通過主成分分析，從20份粒用高粱種質資源的9個農藝性狀中提取株型、籽粒產量及穗形3個主成分,其累積貢獻率達75.381%；王官等[5]從15個甜高粱資源7個農藝性狀中提取株型因子、籽粒產量因子和錘度因子，其累計貢獻率達83.115%；同時經聚類分析將15 份甜高粱種質資源分為4大類，第Ⅲ類、第Ⅳ類群性狀優良。王俊花等[6]對26個超甜玉米雜交組合的9個農藝性狀、品質及產量進行主成分分析提取的前5個主成分(產量因子、品質因子、穗行數因子、禿尖長因子和生育期因子)累計貢獻率為87.741 4%；通過聚類分析將26個超甜玉米雜交組合聚成三大類群，其中第Ⅱ類、第Ⅲ類群的產量和品質明顯優于第Ⅰ類群。張一中等[7]對90份粒用高粱的單寧和蛋白質含量進行聚類分析，將其劃分為五大類群，第Ⅰ類群可作為優良飼料親本加以利用。主成分分析與聚類分析已成為作物品種(組合)間綜合評價的有效手段?！狙芯壳腥朦c】目前，采用主成分分析法和聚類分析對高粱雜交組合的研究較少，且多集中在農藝性狀和產量方面，結合品質性狀的研究鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】采用主成分分析法對18個高粱雜交組合的農藝性狀、產量和品質進行主成分提取，結合聚類分析法對雜交組合進行綜合評分，篩選優良雜交組合，為雜交高粱品種選育和種質資源創新奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗在邯鄲市農業科學院附屬試驗場進行，地處黃淮海平原，屬于暖溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫13.1℃，年日照時數2 400～2 500 h,年有效積溫5 010.8℃。前茬為空白地，土壤為沙質壤土，肥力均勻。試驗前0～20 cm耕層土壤基礎養分含量：水解性氮116.1 mg/kg、有效磷16.0 mg/kg、速效鉀114 mg/kg。

1.2 試驗材料

供試高粱雜交組合18個，從河北農業大學和邯鄲市農業科學院引進(表1)。其中，農5為河北漢青種業有限公司和河北農業大學2020年共同登記品種(漢青3號)，該品種株高中等，生育期125 d左右，適宜在河北春播、夏播種植，目前已在河北省推廣種植。

表1 供試高粱雜交組合及選育單位

1.3 試驗設計

每個高粱雜交組合對應1個處理，采用隨機區組設計[8]，3次重復。種植密度為12萬株/hm2，小區面積10 m2，南北行向，每小區種植4行，行長5 m，周圍設保護行。2021年5月20日開溝播種，播前施氮磷鉀三元復合肥(N22-P8-K10)450 kg/hm2，6月2日定苗，6月20日中耕除草1次，7月14日灌溉1次。拔節期和抽穗期分別追施1次尿素，施入量分別為150 kg/hm2和120 kg/hm2。高粱生長過程中，不去除分蘗，出苗期和成熟期加強管理，以防鳥害。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 產量和農藝性狀測定 產量：高粱收獲期，每小區實收籽粒產量折算為每公頃產量。株高：高粱開花期，小區內隨機測量5株從地面至穗頂的主莖平均高度。穗下莖節：高粱成熟期，自莖稈上端莖節處至穗基部的長度。節數：高粱主莖著生節數。莖粗：灌漿期，調查典型植株莖稈中部節間，卡尺測量直徑，取5株平均值。穗長：取5株典型穗，自然風干后按單株測量自穗下葉痕至穗尖長度取平均值。穗重：取5株典型穗，自然風干后按單株稱重取平均值。穗粒重：取5株典型穗，自然風干后按單株全部脫粒稱重取平均值。容重：用容重測量盒量取100 cm3籽粒稱重，3次重復。千粒重：每小區隨機稱取1 000粒重，3次重復。

1.4.2 品質性狀測定 利用近紅外谷物分析儀[7]測定高粱籽粒淀粉、粗脂肪、粗蛋白質含量和單寧含量，6次重復，取平均值。

1.4.3 主成分分析 計算被調查性狀的特征值和成分方差，再根據成分方差累積貢獻率(>80%原則)提取主成分[9-13]；通過線性模型系數表，將被測性狀無量綱數據代入線性模型求得18個高粱雜交組合的每個主成分得分，根據各主成分貢獻率加權每個得分，求和得到品種綜合得分[14]。

1.4.4 聚類分析 對每個品種的加權綜合得分進行聚類分析[15-16]，以歐氏距離為尺度，依據類間平均的最短距離進行歸類[17-19]。

1.5 數據處理

采用Excel 2007、SPSS 17.0及DPS 7.05進行各性狀的主成分分析、品種綜合評分及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 18個高粱雜交組合主要性狀的差異

由表2可知，不同高粱雜交組合間同一性狀存在顯著差異。經濟性狀中產量的變異系數為22.38%。農藝性狀中株高、穗下莖節、節數、莖粗、穗粒重、穗長、容重、穗重和千粒重的變異系數在6.37%～87.21%，其中，穗下莖節的變異系數最大，達87.21%；籽粒容重的變異系數最低，為6.37%，說明容重的選育潛力較低。品質性狀中單寧含量的變異系數最大，達38.64%；粗蛋白和粗脂肪含量的變異系數分別為12.94%和12.49%；淀粉含量的變異系數最低，為5.76%，說明品質性狀中淀粉含量的選育潛力較低。

表2 18個高粱雜交組合的主要性狀

2.2 高粱雜交組合主要性狀指標的主成分提取

由于各性狀的單位不同，對18個高粱雜交組合的14個性狀指標進行標準化處理，得到其無量綱的數據(表3)。通過主成分分析后，根據累計貢獻率>80.00%的原則，提取前5個主成分，第一主成分特征值為4.200，貢獻率占30.002%；第二主成分特征值為2.977，貢獻率占21.265%；第三主成分特征值為2.267，貢獻率占16.194%；第四主成分特征值為1.194，貢獻率占8.530%；第五主成分特征值為1.063，貢獻率占7.590%。5個主成分的累計貢獻率為83.581%(表4)。

表3 18個高粱雜交組合主要性狀指標數據的無量綱化

表4 18個高粱雜交組合主要性狀的主成分特征值和貢獻率

2.3 高粱雜交組合主要性狀指標的因子選擇

由表5可知，第一主成分中荷載高且數值為正的性狀包括產量(0.815)、穗粒重(0.873)和穗重(0.852)，可作為籽粒產量因子；第二主成分中荷載高且數值為正的性狀包括株高(0.888)和穗下莖節(0.858)，可作為株型因子；第三主成分中荷載高且數值為正的性狀為節數(0.823)，可作為植株長勢因子；第四主成分中荷載高且數值為正的性狀為淀粉(0.648)，可作為品質因子；第五主成分中荷載高且數值為正的性狀為穗長(0.715)，可作為穗型因子。

表5 18個高粱雜交組合主要性狀指標主成分的因子載荷

2.4 18個高粱雜交組合的綜合評分

從表6看出，在18個高粱雜交組合中，綜合得分排名前8的品種依次為農8、農7、雜4、雜12、雜11、雜8、雜5和雜14，表明這8個雜交組合的14個性狀綜合表現較好，可在生產上推廣應用，并可作為高粱品種選育的基礎材料加以利用。

表6 18個高粱雜交組合的綜合得分及排序

2.5 18個高粱雜交組合的聚類

在距離為0.31處將18個高粱雜交組合分為4個類群(圖1)。農2、雜2、農5(CK)及雜7屬于第Ⅰ類群品種，此類群高粱的植株中矮稈，莖稈較粗，產量一般，蛋白含量較高；雜3屬于第Ⅱ類群組合，該類群植株高大，產量較低，蛋白含量較高，可作為特殊種質資源；農6、雜13、雜5、雜10、雜14、雜1、雜9為第Ⅲ類群組合，表現為植株高度居中，產量較高，品質較好；農7、農8、雜4、雜12、雜11、雜8為第Ⅳ類群品種，表現為植株高大，產量高，品質較好。因此第Ⅲ類群和Ⅳ類群具有較大的生產潛力和育種潛力。

3 討論

18份高粱雜交組合表現出豐富的形態差異，株型、產量及品質性狀均呈現顯著差異。農藝性狀中的籽粒容重和品質性狀中的淀粉含量變異系數較低，表明這2個性狀改良的選育潛力低，如引入特異種質資源加以改良則會產生較好效果。我國釀酒專用高粱應滿足淀粉含量高、蛋白質和脂肪適量的條件，并含有適宜的單寧含量。單寧對于白酒的風味形成尤為重要，其含量一般不超過1.4%[20]。18份高粱雜交組合中平均單寧含量為1.06%，變異系數為38.64%，在4個品質性狀中最高，表明單寧含量的選育潛力較高，18個組合內既可以選育出低單寧飼用品種，也可選育出釀造品種。

通過高粱主要性狀主成分分析提取5個主成分(籽粒產量、株型、長勢、品質、穗形)，其累積貢獻率超80%，與喬婧等[4]提取高粱株型、籽粒產量和穗形3個主成分，王官等[5]提取高粱株型、籽粒產量及錘度3個主成分的研究結果部分一致，雖然主因子提取數量不同，貢獻率也不完全相同，但是株型和籽粒產量均表現為主因子，可見株型和籽粒產量在高粱品種改良中發揮重要作用。

4 結論

采用主成分分析法對18個高粱雜交組合的14個主要性狀進行分析，提取出5個主成分(籽粒產量、株型、長勢、品質、穗型)，其累積貢獻率超80%，因此，在高粱品種選育過程中可重點圍繞該5個主成分因子開展性狀改良與選擇。同時對18個高粱雜交組合進行加權綜合評分，綜合得分排在前8位的品種依次為農8、農7、雜4、雜12、雜11、雜8、雜5和雜14，這8個組合綜合表現較好，可重點推廣應用，并可作為高粱品種選育的基礎材料加以利用。

系統聚類分析將18個高粱雜交組合分為4個類群，其中，第Ⅲ類群(農6、雜13、雜5、雜10、雜14、雜1、雜9)和第Ⅳ類群(農7、農8、雜4、雜12、雜11、雜8)產量高，品質較好，具有較大的生產潛力和育種潛力。第Ⅰ類群(農2、雜2、農5)和第Ⅱ類群(雜3)的雜交組合還需進一步改良，可利用其個別性狀進行育種，如采用雜交或回交將其他穩定材料的優良性狀導入組合中。