陸地棉F2代單株選擇的主成分分析

王巧玲,李哲

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

自從20世紀(jì)90年代初人們采用基因工程的方法將蘇云金芽胞桿菌Bscillus thuringiensis（Bt）的晶體蛋白基因轉(zhuǎn)入棉花品種中以后,陸地棉品種基因庫(kù)中就有了Bt抗蟲(chóng)基因.育種家們不但可以采用基因工程的方法培育抗蟲(chóng)棉品種,也可以利用基因庫(kù)中豐富的非抗蟲(chóng)棉品種資源,采用常規(guī)育種的方法培育抗蟲(chóng)棉品種,而常規(guī)育種最常用的方法是雜交育種.將抗蟲(chóng)棉品種和非抗蟲(chóng)棉品種雜交F1代抗蟲(chóng)基因位點(diǎn)處于半合子狀態(tài)[1],F2代基因位點(diǎn)間出現(xiàn)重組,當(dāng)親本組合確定以后,通過(guò)一定的方法和途徑提高F2代的單株選擇效果就成為重組育種的關(guān)鍵技術(shù).主成分分析是一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法,它是利用原始變量之間的相關(guān)性,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換將多個(gè)性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少指標(biāo),彼此互不相關(guān),且能反映原來(lái)多個(gè)性狀指標(biāo)的主要信息,構(gòu)建少數(shù)幾個(gè)因子的線性組合解釋原來(lái)變量實(shí)現(xiàn)降維[2].主成分分析用于遺傳育種的研究已有很多報(bào)道[3-4],但對(duì)F2代在選擇條件下單株性狀的主成分分析的研究迄今未見(jiàn)報(bào)道.本文旨在通過(guò)主成分分析的方法對(duì)F2代在選擇條件下的單株性狀進(jìn)行研究,為提高F2代單株選擇效果提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為抗蟲(chóng)棉品種“D17”和自育的非抗蟲(chóng)品種“HN68”的雜交F1代,F1代自交得F2代.

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)在河南科技學(xué)院百泉校區(qū)試驗(yàn)田進(jìn)行,4月23日播種,行長(zhǎng)8 m,行距1.0 m,株距0.3 m,土壤肥力中等偏上,管理同大田.于9月下旬在F2代群體中按照育種目標(biāo)選擇86個(gè)單株,經(jīng)篩選保留 64 個(gè)單株,并調(diào)查各單株的果枝夾角（X1）、節(jié)位（X2）、株高（X3）、果枝數(shù)（X4）、果節(jié)數(shù)（X5）、第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)（X6）、主莖平均節(jié)長(zhǎng)（X7）、鈴數(shù)（X8）,并通過(guò)室內(nèi)考種測(cè)得鈴重（X9）、衣分（X10）.

1.2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法 統(tǒng)計(jì)分析利用主成分分析的方法,首先原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后從相關(guān)陣出發(fā)進(jìn)行主成分分析.數(shù)據(jù)處理由SAS9.0[5]和Excel完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀主成分分析

在主成分分析中,方差代表性狀在主成分方向上的分散程度,方差越大,主成分在樣本數(shù)據(jù)分析中所起的作用越大.對(duì)供試材料的10個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析,得到10個(gè)性狀的遺傳相關(guān)矩陣（見(jiàn)表1）.

表1 10個(gè)性狀的相關(guān)系數(shù)

從相關(guān)矩陣出發(fā)求得其主成分的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率（見(jiàn)表2）.

表2 10個(gè)性狀主成分的方差貢獻(xiàn)率和累積方差貢獻(xiàn)率

由表2可見(jiàn),前5個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為74.95%,意味著前5個(gè)主成分的遺傳信息在總遺傳信息中占74.95%,其余5個(gè)主成分的遺傳信息在樣本試驗(yàn)中所起的作用僅為25.05%.所以,前5個(gè)主成分能反映該性狀的大部分遺傳信息.本文僅取前5個(gè)主成分來(lái)進(jìn)行分析.其特征根和對(duì)應(yīng)的特征向量見(jiàn)表3.

表3 64個(gè)單株的綜合性狀及產(chǎn)量相關(guān)矩陣的特征向量

由于主成分是原性狀的線性組合函數(shù),根據(jù)計(jì)算樣本相關(guān)矩陣的特征向量,可給出各主成分的函數(shù)表達(dá)式：

由函數(shù)表達(dá)式可以看出：

第 1主成分 Y1中,果節(jié)數(shù)（0.506 1）的特征向量系數(shù)最大,其次是果枝數(shù)（0.461 8）、鈴數(shù)（0.451 3）、株高（0.444 5）,三者的信息載荷量較大且作用方向相同,說(shuō)明植株較高的類型果枝數(shù)較多,其果節(jié)數(shù)也會(huì)隨之增多,會(huì)導(dǎo)致成鈴數(shù)增加.因而稱之為結(jié)鈴性因子.但在此主成分中,鈴重也有較大的載荷量（0.331 3）,說(shuō)明由于株高的提高不但可以提高結(jié)鈴性,也可以在一定程度上提高鈴重.其它,如節(jié)位（-0.066 5）、第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)（-0.037 6）和衣分（-0.027 6）,三者的作用方向相反,但載荷量較小,對(duì)結(jié)鈴性的影響不大,可以不予考慮或較少考慮.

第2主成分Y2中,夾角（0.572 0）的特征向量值最大,其次是主莖平均節(jié)長(zhǎng)（0.533 2）、第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)（0.403 3）,三者的信息載荷量較大且方向相同均為正值.說(shuō)明夾角越大,其主莖平均節(jié)長(zhǎng)就越長(zhǎng),第一果枝第一果節(jié)也會(huì)較長(zhǎng).該主成分主要是反應(yīng)株型的形態(tài)指標(biāo),故稱之為株型因子.在此主成分中鈴重也有較大的載荷量（0.331 1）,且作用方向也相同,說(shuō)明株型因子對(duì)鈴重具有較高的正向作用,松散型也可有利于鈴重的提高.衣分的絕對(duì)值（X10=-0.260 2）也較大,但為負(fù)值,說(shuō)明松散型不利于衣分的提高.在育種中應(yīng)注意協(xié)調(diào)這種關(guān)系,該因子不宜過(guò)高,應(yīng)保持在一定的范圍內(nèi).選擇夾角適中、第一果節(jié)適當(dāng)較長(zhǎng)的植株,從而達(dá)到高產(chǎn)的目標(biāo).

第3主成分中,節(jié)位（0.825 0）值最大,鈴重（0.331 1）次之,故稱之為鈴重因子.說(shuō)明隨著對(duì)節(jié)位的正向選擇可使鈴重增加.但在實(shí)際工作中,節(jié)位不宜過(guò)高,節(jié)位與早熟性有較大的相關(guān)性,大鈴?fù)硎?第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)的值也較大,但為負(fù)值（-0.367 9）.在該組合中,節(jié)位較高的類型,第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)的長(zhǎng)度可較短,有利于鈴重的提高,不利于綜合性狀的提高,一般節(jié)位應(yīng)控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi).

第4主成分中衣分（0.810 1）值最大,其次是第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)（X6=0.350 1）和鈴重（X9=0.273 0）,三者呈正相關(guān).在此主成分中鈴數(shù)（X8=-0.270 3）的負(fù)值最大,由此可以得到鈴數(shù)與鈴重、衣分的作用方向相反,表明第4主成分主要反映了棉花的衣分因子,即經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)換因子.鈴重和衣分可同步提高,單株結(jié)鈴數(shù)不能同步提高,三者都是構(gòu)成產(chǎn)量的直接性狀.

第5主成分中,第一果枝第一果節(jié)長(zhǎng)（X6=0.501 0）值最大,其次是株高（X3=0.315 5）和節(jié)位（X2=0.302 6）,即第一果節(jié)越長(zhǎng)植株相對(duì)高大,節(jié)位高說(shuō)明植株?duì)I養(yǎng)器官發(fā)達(dá),生物產(chǎn)量高,第5主成分稱為生物產(chǎn)量因子.該主成分中夾角（X1=-0.599 6）負(fù)值最大,其次是衣分（X10=-0.355 5）和果枝數(shù)（X4=-0.222 7）.第一果節(jié)越長(zhǎng)其夾角就相對(duì)越小,衣分值也相對(duì)降低,在一定程度上影響生物產(chǎn)量向經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的轉(zhuǎn)換率.所以在選擇過(guò)程中,不能選擇第一果節(jié)過(guò)長(zhǎng)的植株.

總之,由主成分的方差貢獻(xiàn)率決定5個(gè)主成分（Y1-5）,原性狀（X1-10）的相關(guān)矩陣的特征向量進(jìn)一步表明棉花的形態(tài)性狀與各產(chǎn)量構(gòu)成性狀之間都有不同程度的相關(guān)作用,有些為負(fù)向作用[6].64個(gè)處理的主成分因子得分見(jiàn)表4.

表4 64個(gè)處理的主成分因子得分

注：得分由低至高排序.

2.2 利用主成分值選擇優(yōu)良組合

棉花主栽品種的形態(tài)性狀及產(chǎn)量取決于夾角、節(jié)位、株高、果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、第一果節(jié)長(zhǎng)、平均節(jié)長(zhǎng)、鈴數(shù)、鈴重、衣分等10個(gè)性狀指標(biāo).5個(gè)主成分可以反映其主要性狀指標(biāo).因此,可用主成分值作為選擇優(yōu)良單株的依據(jù),經(jīng)對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換,計(jì)算各個(gè)主成分值,以計(jì)算各個(gè)組合5個(gè)主成分的總分,進(jìn)而可選擇符合育種目標(biāo)的優(yōu)良單株.

通過(guò)5個(gè)主成分的得分,可以看出單株57得分最高,其次為單株45,而單株36和單株34得分最低,說(shuō)明單株57和45綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良,而單株36和單株34綜合性狀表現(xiàn)較差,在選擇單株時(shí)應(yīng)考慮是否淘汰,可以此作為單株選擇的綜合指標(biāo).

3 小結(jié)與討論

3.1 小結(jié)

陸地棉F2代雜交種主要性狀相關(guān)系數(shù)結(jié)果表明：果節(jié)數(shù)、果枝數(shù)、株鈴數(shù)、單鈴重、衣分與單株皮棉產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)大,對(duì)單株皮棉產(chǎn)量的直接作用最大,棉花新品種要在產(chǎn)量上有所突破,在選擇結(jié)鈴性強(qiáng)的材料前提下,可選擇在同等條件下果枝數(shù)、果節(jié)數(shù)較多類型,這樣有利于提高單株結(jié)鈴數(shù).衣分是構(gòu)成產(chǎn)量的直接性狀,衣分的提高有利于單株皮棉產(chǎn)量的提高[7].在育種實(shí)踐中,產(chǎn)量與纖維品質(zhì)必須兼顧.

陸地棉F2代雜交種主成分分析結(jié)果表明：第1主成分是結(jié)鈴性的因子,第2主成分是植株形態(tài)性狀的形態(tài)因子,第3主成分是鈴重因子,第4主成分是衣分因子,第5主成分是生物產(chǎn)量因子.各個(gè)主成分反映了陸地棉F2代單株的形態(tài)性狀和產(chǎn)量,但綜合起來(lái),基本上可以反映陸地棉產(chǎn)量性狀的構(gòu)成.因此,用主成分值得分作為陸地棉單株選擇標(biāo)準(zhǔn),較用單一性狀加權(quán)打分選擇更為簡(jiǎn)便,同時(shí)避免了性狀間的相關(guān)性對(duì)選擇效果的影響[8],較人為加權(quán)打分選種更具準(zhǔn)確性和科學(xué)性.

應(yīng)用主成分值對(duì)陸地棉F2代的64個(gè)單株進(jìn)行排序分析[9],其結(jié)果表明用主成分值選種在抗蟲(chóng)棉單株選擇中有一定的應(yīng)用價(jià)值,在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)計(jì)算育種材料的主成分值,可以綜合評(píng)判品種的優(yōu)劣.本文由5個(gè)主成分值的總得分,可以看出單株57的得分最高,其次為單株45,而單株36和34的得分相對(duì)較低,說(shuō)明單株57和45的綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良,但單株36和34的綜合性狀則表現(xiàn)較差,應(yīng)予以淘汰.研究未將棉株生長(zhǎng)、發(fā)育性狀同時(shí)考慮,其相關(guān)問(wèn)題尚待進(jìn)一步探討.

3.2 將主成分值得分作為綜合選擇指數(shù)的討論

作物育種的總目標(biāo)是高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、多抗性,歸根結(jié)底要落實(shí)到產(chǎn)量和品質(zhì)上,但構(gòu)成產(chǎn)量和品質(zhì)的綜合性狀間又存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系[10],對(duì)某單一性狀的選擇往往伴隨其它相關(guān)性狀的變化,常有顧此失彼之感,要提高選擇效果,必須正確處理各性狀的相關(guān)關(guān)系,選擇指數(shù)正是在這種狀況下提出的.選擇指數(shù)是數(shù)量遺傳研究的一個(gè)重要方面,近年來(lái)許多遺傳學(xué)家構(gòu)建了許多選擇指數(shù),如遺傳相關(guān)系數(shù)、回歸系數(shù)、相關(guān)遺傳力、遺傳力等.主成分分析首先進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理,然后從相關(guān)矩陣出發(fā),求得各主成分的線性組合,并通過(guò)篩選、選擇主成分值較大的主成分,作為該單株或品種材料的綜合得分.這樣在遺傳信息失之甚少的情況下對(duì)各構(gòu)成性狀進(jìn)行選擇,會(huì)顯得目標(biāo)更加明確集中.因此,采用主成分分析法構(gòu)建一個(gè)新的選擇指數(shù),以此作為F2代單株選擇的依據(jù),更加符合實(shí)際工作需要.

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