雪里蕻種質資源性狀的主成分分析和聚類分析

任錫亮，宋中喜，趙天榮，高天一，王 潔，孟秋峰

（1.寧波市農業科學研究院，浙江 寧波 315040；2.昌樂縣農業農村局，山東 昌樂 262400）

雪里蕻俗稱雪菜，屬于十字花科蕓薹屬芥菜種分蘗芥變種。使用雪里蕻加工制成的雪菜或霉干菜味道鮮美，深受人們的喜愛。我國雪里蕻的栽培歷史悠久，種質資源豐富［1］，但國內對雪里蕻種質資源的研究較少。研究種質資源的特性及對其進行分類是合理利用種質資源、選配親本組合和提高育種效率的基礎。主成分分析是一種使用廣泛的數據降維方法，可將多個變量轉換為少數幾個不相關的綜合變量，這些綜合變量能夠比較全面地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關，從而達到簡化、突出重點的目的［2］。進行主成分分析和聚類分析對合理利用種質資源、綜合評價親本、減少雜交配組的盲目性具有重要的意義。本研究對19個雪里蕻種質資源的主要性狀進行主成分分析和聚類分析，以期為雪里蕻品種資源的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

雪里蕻品種資源由寧波市農業科學研究院蔬菜研究所提供。07-1、07-2-7、07-7-2、07-12、07-16-1-3、07-29-1、08-5-6、09-3-1、10-4、11-14、11-8-5-4、12-60、12-61、13-51、15-4、15-6、16-2、16-3為性狀表現穩定的高代自交系，07-50A×07-16-1-3為利用雄性不育系配制的雜交組合。

1.2 試驗方法

試驗于2021年在寧波市高新農業技術實驗園區的露地進行，試驗土壤為黏土，肥力中等。于8月19日播種，9月18日移栽大田，行株距30 cm×25 cm，每個品種小區面積為20 m2，采用隨機區組設計，3次重復。田間管理同一般大田生產；采收日期為12月15日，每個小區隨機取10株觀察記錄性狀，共考查12個性狀：株高(x1)、株幅(x2)、最大葉葉長(x3)、最大葉葉寬(x4)、最大葉葉柄長(x5)、最大葉葉柄寬(x6)、最大葉葉柄厚(x7)、分蘗數(x8)、最大蘗長(x9)、最大蘗粗(x10)、蘗鮮重(x11)、單株重(x12)。性狀考察數據的結果取平均值。應用浙江大學研制開發的DPS數據處理系統對測量的19個雪里蕻品種的12個生物學性狀進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

2.1.1 主要性狀的主成分貢獻率及累積貢獻率 對19個雪里蕻品種的12個生物學性狀進行主成分分析（表1），從12個特征值中取累計貢獻率達85%以上的4個特征值作為主成分。由表1可知，選取的前4個主成分累計貢獻率達91.0276%，代表了雪里蕻性狀大部分的綜合信息，而其他成分在性狀分析中只發揮了8.9724%的作用。因此，選取前4個成分作為分析雪里蕻綜合性狀的主成分。所取得4個主成分的貢獻率分別為47.6004%、25.7842%、9.1906%、8.4524%，并依次稱為第1主成分、第2主成分、第3主成分和第4主成分。

表1 19個雪里蕻品種主要性狀的主成分貢獻率和累計貢獻率

2.1.2 主要性狀的特征向量 由表2可知，在第1主成分中，株高、株幅、最大葉葉長、最大葉葉柄長、最大葉葉柄寬、最大葉葉柄厚以及最大蘗長具有較大的正系數，這表明第1主成分主要反映了雪里蕻的生長勢因子；在第2主成分中，最大蘗粗、蘗鮮重和單株重具有較大的正系數，這表明第2主成分主要反映了雪里蕻單株產量因子；在第3主成分中，分蘗數具有明顯較大的正系數，這表明第3主成分主要反映了雪里蕻的分蘗因子；在第4主成分中，最大葉葉柄寬和最大葉葉柄厚具有較大的正系數，這表明第4主成分主要反映了雪里蕻的葉柄粗度因子。根據4個主成分的因子負荷量的大小，篩選出貢獻率較大的4組性狀因子即：{x1，x2，x3，x5，x6，x7，x9}、{x10，x11，x12}、{x8}、{x6，x7}。

表2 19個雪里蕻品種主要性狀的特征向量

2.1.3 雪里蕻12個性狀的相關系數 由表3可知，不同性狀之間的相關性具有統計學意義。株高與株幅、最大葉葉長、最大葉葉寬、最大葉葉柄長、最大葉葉柄寬、最大葉葉柄厚和最大蘗長具有較強的相關性，相關系數分別為0.7851、0.7891、0.4782、0.6493、0.5980、0.5911、0.7958；株幅除了與株高相關外，還與最大葉葉長、最大蘗長、最大蘗粗、蘗鮮重和單株重具有較強的相關性，相關系數分別為0.5150、0.7330、0.5628、0.6045、0.7159；最大葉葉長除了與株高、株幅相關外，與最大葉葉寬、最大葉葉柄長、最大葉葉柄寬、最大葉葉柄厚、最大蘗長具有較強的相關性，相關系數分別為0.8219、0.8106、0.7590、0.7665、0.8161；最大葉葉寬除了與株高、最大葉葉長相關外，與最大葉葉柄的長、寬、厚均有較強的相關性，相關系數分別為0.5935、0.7536、0.7495；最大葉葉柄長除與株高、最大葉葉長、最大葉葉寬相關外，與最大葉葉柄厚、最大蘗長也具有較強的相關性，相關系數分別為0.5292、0.6193；最大葉葉柄寬除與株高、最大葉葉長、最大葉葉寬相關外，與最大葉葉柄厚、最大蘗長具有較強的相關性，相關系數分別為0.9228、0.5162；最大葉葉柄厚除與株高、最大葉葉長、最大葉葉寬、最大葉葉柄長、最大葉葉柄寬相關外，還與最大蘗長具有較強的相關性，相關系數為0.4500；分蘗數與其他性狀均無較強的相關性；最大蘗長除與株高、株幅、最大葉葉長、最大葉葉柄長、最大葉葉柄寬、最大葉葉柄厚相關外，與單株重也有較強的相關性，相關系數為0.4935；最大蘗粗除與株幅相關外，還與蘗鮮重和單株重具有很強的相關性，相關系數分別為0.8071、0.7958；蘗鮮重與株幅和蘗粗相關，與單株重具有極顯著相關，相關系數達0.9738；單株重與株幅、最大蘗長、最大蘗粗和蘗鮮重具有強相關性。

2.1.4 雪里蕻性狀的主成分值與綜合評價指數 經過對計算結果的標準化轉換，得到的每個品種資源的重要主成分值（表4），可根據其主成分值選擇符合育種目標的優良親本。從表4可以看出，07-50A×07-16-1-3、13-51和12-61的生長情況和最大葉性狀的綜合指標較高，13-51和12-61可以作為生長勢強的良種選育；07-16-1-3和07-50A×07-16-1-3單株產量綜合指標較高；11-14、07-1、16-3分蘗性綜合指標較高，可作為多分蘗良種選育材料；16-3和12-61葉柄粗度的綜合指數較高，可用作粗梗良種選育。從綜合評價指數來看，11-14、07-16-1-3、07-1、16-2是綜合性狀優良的親本材料，07-50A×07-16-1-3比07-16-1-3表現出更強的雜種優勢和超親優勢。

表4 19個雪里蕻品種的主成分值及綜合評價指標

2.2 聚類分析

聚類分析根據分類對象的不同可分為Q型和R型兩大類，Q型是對樣本進行分類處理，R型是對變量進行分類處理。Q型聚類又稱樣品聚類，是對分類運算單位進行的分析運算，反映了不同分類單位之間的相似性和親緣關系遠近。本研究對原始數據進行規格化處理后，采用卡方距離相似尺度和離差平方和法對19個品種12個性狀進行Q型聚類（圖1）。聚類結果顯示，在遺傳距離為2.61處，19個雪里蕻品種被分為了4類：第Ⅰ類包括11-14等11個品種；07-50A×07-16-1-3和07-7-2分別單獨歸為第Ⅱ類和第Ⅳ類；第Ⅲ類包括07-16-1-3等6個品種。聚入第Ⅰ類的11個品種，又可分為3個亞類，第1亞類有5個品種，分別為11-14、07-2-7、07-1、15-6、15-4；第2亞類有4個品種，分別為11-8-5-4、16-2、12-60和08-5-6；第3亞類包括13-51和12-61。聚入第Ⅲ類的6個品種又分成2個亞類：第1亞類有3個品種，分別為07-16-1-3、16-3、07-12；第2亞類有3個品種，分別為10-4、07-29-1和09-3-1。

圖1 聚類分析結果

3 討論

主成分分析在水稻［3］、玉米［4］、小麥［5］、大豆［6］、花生［7］、棉花［8］、辣椒［2］、茄子［9］、花椰菜［10］、絲瓜［11］、西瓜［12］、核桃［13］、杏［14］、蟹爪蘭［15］等多種作物種質資源的性狀綜合評價中得到了廣泛的運用。本研究分析了19個雪里蕻品種的12個生物學性狀，并將這12個生物學性狀指標簡化為生長勢因子、單株產量因子、分蘗因子和葉柄粗度因子等4個主成分因子。這4個因子的累計貢獻率達91.0276%，大致能反映原來12個性狀的遺傳特征。生長勢因子和單株產量因子是主要的主成分因子，其貢獻率分別為47.6004%、25.7842%。由于加工霉干菜一般需要葉柄較粗的品種，需關注葉柄粗度因子高的品種。研究性狀之間的相關性發現，單株重與株幅、蘗粗和蘗鮮重的相關性差異具有統計學意義，而單株重與分蘗數基本無相關性，這與實際結果相符。對于同一品種而言，一般分蘗數越多產量越高；而不同品種之間，分蘗數多的雪里蕻品種產量不一定高。雪里蕻的單株產量主要由幾個大的主要分蘗鮮重構成。在雪里蕻高產育種中，應重點關注株幅和最大蘗粗及蘗鮮重而不是分蘗數，基于主成分分析的性狀綜合評價能將綜合性狀優良的種質資源篩選出來。07-50A×07-16-1-3綜合指標得分較高，這也表明雪里蕻具有較強的雜種優勢。

親本親緣關系遠近對雜交育種的影響較大，親緣關系較遠的親本雜交后代的雜種優勢強。所以，明確親緣關系遠近是雜交育種選擇親本的前提。本研究證明Q型聚類分析是一種較好的研究植物親緣關系和分類的分析方法，可以幫助探究種質資源的遺傳多樣性，為培育優良品種提供參考。品種間親緣關系越近，就能越早地聚合為同一類。本研究通過聚類分析，將供試品種分為4大類。在遺傳距離比較大的分類間，結合主成分分析結果，將兩個親本進行雜交，配出優勢組合的幾率較大。主成分綜合指標值最低的07-7-2被單獨歸于一類。但是07-7-2與其他品種的遺傳距離較大，可結合其品質或抗病性特性進行雜種優勢利用。利用生物學性狀來確定雪里蕻種質資源主成分因子和親緣關系遠近具有一定的科學合理性，但這種方法所依據的數量性狀仍有可能受到地理環境、氣候和個體發育階段的影響而出現結果上的偏差。因此，為更準確地了解和反映出雪里蕻種質資源的親緣關系和遺傳信息，還需從分子層面進行更加深入的研究［16］。