主成分分析和隸屬函數(shù)法對(duì)早熟棉F1代材料的綜合評(píng)價(jià)

鄧艷鳳, 肖水平, 劉新穩(wěn), 楊紹群, 楊 秀, 王 濤

(江西省棉花研究所/國(guó)家棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系鄱陽(yáng)湖綜合試驗(yàn)站，江西 九江 332105)

棉花是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物之一，不僅是紡織工業(yè)的主要原料，在國(guó)防、醫(yī)藥、汽車(chē)工業(yè)等方面也具有重要的作用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)紡織品的質(zhì)量要求越來(lái)越高，但由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及棉花品種的退化，我國(guó)棉花種植面積逐年下降[1-2]。因此，培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、早熟、抗病、抗蟲(chóng)及適應(yīng)機(jī)械化的優(yōu)良品種已成為未來(lái)棉花育種的目標(biāo)[3-5]。

雜種優(yōu)勢(shì)利用是發(fā)掘農(nóng)作物生產(chǎn)潛力最有效的育種方法之一[6]。利用雜種優(yōu)勢(shì)選育棉花雜交種不僅可以提高產(chǎn)量、改善纖維品質(zhì)、增強(qiáng)抗逆性，還能縮短育種周期[7]。陸地棉種內(nèi)雜種有顯著的中親優(yōu)勢(shì)[8]，可將早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗病等特征整合到F1代中，體現(xiàn)雜種優(yōu)勢(shì)和超標(biāo)優(yōu)勢(shì)[9]。張正圣等[10]研究了陸地棉高強(qiáng)纖維品系和Bt基因抗蟲(chóng)棉的配合力與雜種優(yōu)勢(shì)發(fā)現(xiàn)，陸地棉F1代的籽棉、皮棉產(chǎn)量和單位面積鈴數(shù)都具有明顯的中親和超親優(yōu)勢(shì)，棉纖維品質(zhì)性狀有較高的超標(biāo)優(yōu)勢(shì)；邢朝柱等[11]研究發(fā)現(xiàn)，利用棉花雜種優(yōu)勢(shì)能夠大幅度提高纖維產(chǎn)量，改善纖維品質(zhì)和增強(qiáng)抗病蟲(chóng)等逆境能力；劉艷改等[12]研究表明，雜種F1代皮棉產(chǎn)量和籽棉產(chǎn)量的優(yōu)勢(shì)最大, 鈴重的優(yōu)勢(shì)較大, 衣分次之, 纖維品質(zhì)性狀介于親本之間, 略高于中親值。因此，選擇最優(yōu)親本對(duì)陸地棉雜交種的選育至關(guān)重要。本研究采用主成分分析和隸屬函數(shù)法比較22份早熟棉F1代材料的主要農(nóng)藝性狀，以期篩選出早熟、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的雜交組合，為早熟雜交棉的選育提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為江西省棉花研究所早熟課題組于2018年通過(guò)人工雜交獲得的22個(gè)早熟棉F1代雜交組合(表1)。試驗(yàn)于2019—2020年在江西省棉花研究所試驗(yàn)田進(jìn)行，采用營(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽法種植，每年4月中旬在大棚內(nèi)育苗，5月上旬移栽到大田。各小區(qū)長(zhǎng)10.0 m，寬1.5 m，雙行區(qū)，行距0.8 m、株距0.2 m，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。

表1 22份參試早熟棉F1代材料

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

分別于2019年、2020年7月15日，調(diào)查22份材料的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀。每小區(qū)分別選取10株長(zhǎng)勢(shì)正常的棉花，測(cè)量株高并統(tǒng)計(jì)單株果枝數(shù)和成鈴數(shù)。收花期在棉株中部?jī)?nèi)圍采收100個(gè)正常開(kāi)裂的棉鈴，曬干后室內(nèi)考種，測(cè)定單鈴重和衣分，并選取20 g纖維樣品寄送至中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(安陽(yáng))檢測(cè)棉纖維。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel 2007初步整理，利用SAS V8進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、CV等統(tǒng)計(jì)量的計(jì)算以及主成分分析。為確保主成分得分越高的材料綜合性狀越好，分析前將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。基于早熟、矮化、高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)的育種目標(biāo)，以生育期和株高為逆向指標(biāo)，采用原數(shù)據(jù)倒數(shù)值轉(zhuǎn)換；果枝數(shù)、結(jié)鈴數(shù)、衣分、單鈴重、纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和籽棉產(chǎn)量均為正指標(biāo)，采用原數(shù)據(jù)值；馬克隆值為適度指標(biāo)，按公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)化(馬克隆值A(chǔ)級(jí)取值范圍為3.7～4.2,取3.95為適度值[13])。

(1)

隸屬函數(shù)值參照王婷婷等[14]的方法計(jì)算。當(dāng)該性狀為正相關(guān)時(shí)采用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，負(fù)相關(guān)時(shí)則采用公式(3)進(jìn)行計(jì)算。

Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

Zij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(3)

式中，Zij為i品系j性狀的隸屬函數(shù)值；Xij為i品系j性狀的測(cè)定值，Xjmin和Xjmax分別為j性狀的最小值和最大值。

2 結(jié)果與分析

2.1 早熟棉F1代材料主要性狀的變異分析

對(duì)22份早熟棉F1代材料的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳變異分析，結(jié)果見(jiàn)表2。12個(gè)主要性狀變異系數(shù)(CV)在0.94%～12.14%之間，變異幅度較大。其中，CV最大的為籽棉產(chǎn)量(12.14%)，變異幅度在3 150.00～5 280.00 kg·hm-2之間；CV最小的為整齊度指數(shù)(0.94%)，變異幅度在84.7%～87.8%之間；其他性狀的CV從大到小依次為：鈴重(11.15%)>株高(9.81%)>果枝數(shù)(8.13%)>結(jié)鈴數(shù)(7.07%)>衣分(7.05%)>馬克隆值(6.64%)>斷裂比強(qiáng)度(5.72%)>伸長(zhǎng)率(4.45%)>纖維長(zhǎng)度(3.38%)>生育期(2.15%)。一般情況下，CV>10%表示樣本間差異較大[15]，本試驗(yàn)中籽棉產(chǎn)量和鈴重的CV均>10%，表明這22份F1代材料在產(chǎn)量和鈴重方面差異較大，有利于高產(chǎn)雜交組合的比較和篩選。

表2 早熟棉F1代材料農(nóng)藝性狀的變異情況

2.2 早熟棉F1代材料主要性狀的主成分分析

對(duì)22份早熟棉F1代材料的12個(gè)主要性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。前5個(gè)主成分的特征值>1，且累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.20%，包含了主要農(nóng)藝性狀的絕大部分信息，因此選取前5個(gè)主成分進(jìn)行分析。由表3、表4可知，第1主成分的特征值為3.33，貢獻(xiàn)率為27.72%；纖維長(zhǎng)度(0.49)和成鈴數(shù)(0.42)在第1主成分上的荷載較高，說(shuō)明第1主成分主要由纖維長(zhǎng)度和成鈴數(shù)決定。第2主成分的特征值為1.92，貢獻(xiàn)率為16.03%；斷裂比強(qiáng)度(0.46)、生育期(0.46)和衣分(-0.46)在第2主成分上的荷載較高，說(shuō)明第2主成分主要由斷裂比強(qiáng)度、生育期和衣分決定。第3主成分的特征值為1.82，貢獻(xiàn)率為15.16%；果枝數(shù)(-0.64)和鈴重(0.57)在第3主成分上的荷載較高，說(shuō)明第3主成分主要由果枝數(shù)和鈴重決定。第4主成分的特征值為1.32，貢獻(xiàn)率為11.00%；籽棉產(chǎn)量(0.62)和伸長(zhǎng)率(0.41)在第4主成分上的荷載較高，說(shuō)明第4主成分主要由籽棉產(chǎn)量和伸長(zhǎng)率決定。第5主成分的特征值為1.11，貢獻(xiàn)率為9.28%；馬克隆值(-0.55)和伸長(zhǎng)率(0.51)在第5主成分上的荷載較高，說(shuō)明第5主成分主要由馬克隆值和伸長(zhǎng)率決定。

表3 早熟棉F1代材料主成分分析的特征值及貢獻(xiàn)率

參考文獻(xiàn)[16]，根據(jù)主成分得分計(jì)算22份材料間的綜合得分(表5)，其中得分較高的前10份材料依次為：7、5、10、3、19、11、1、22、4和8號(hào)。

2.3 早熟棉F1代材料隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)結(jié)果

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法對(duì)22份早熟棉F1代材料主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)及鑒定，以提高評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。根據(jù)育種目標(biāo)及各農(nóng)藝性狀的特性，以生育期和株高為負(fù)相關(guān)指標(biāo)；果枝數(shù)、成鈴數(shù)、衣分、鈴重、纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)、伸長(zhǎng)率和籽棉產(chǎn)量為正相關(guān)指標(biāo)；由于所有材料的馬克隆值均高于3.95，因此將馬克隆值作為負(fù)相關(guān)指標(biāo)，分別計(jì)算每份材料各性狀的隸屬函數(shù)值以及平均隸屬函數(shù)值(表6)。22份早熟棉F1代材料中平均隸屬函數(shù)值前十的編號(hào)依次為：7、5、19、10、3、18、22、20、1和11號(hào)。

表6 早熟棉F1代材料農(nóng)藝性狀的隸屬函數(shù)值

3 討論與結(jié)論

CV反映了某一性狀遺傳可塑性的不同。在群體內(nèi)，材料間性狀的CV越大表明這些材料在該性狀上的創(chuàng)新貢獻(xiàn)率越高[17-18]。馬肖等[19]對(duì)岱字棉來(lái)源的147份陸地棉種質(zhì)資源的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行變異性分析發(fā)現(xiàn)，單株成鈴數(shù)CV最大(25.099%)，且第一果枝節(jié)位、第一果枝高度、單鈴重、果枝數(shù)的CV均>10%，大部分性狀的CV在5%以上。馬曉梅等[20]對(duì)新疆128個(gè)早熟陸地棉參試品種(系)的5個(gè)主要株型及產(chǎn)量性狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，5個(gè)性狀的CV依次為：?jiǎn)沃杲Y(jié)鈴數(shù)>單位面積籽棉產(chǎn)量>果枝始節(jié)位>單株果枝數(shù)>株高。本試驗(yàn)對(duì)22份早熟棉F1代材料的12個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳變異分析發(fā)現(xiàn)，8個(gè)性狀的CV在5%以上，這與馬肖等[19]的部分研究結(jié)果相似，但僅2個(gè)性狀的CV在10%以上，可能由于早熟棉雜交組合F1代具有一定的雜種優(yōu)勢(shì)且參試材料較少，導(dǎo)致材料間的性狀差異較小。

主成分分析是將多個(gè)復(fù)雜的原始指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個(gè)互不相關(guān)且具有代表性的綜合指標(biāo)，再通過(guò)提取主要因子計(jì)算綜合得分，能夠較客觀地篩選優(yōu)良種質(zhì)[21]。本研究為確保綜合得分越高的材料綜合性狀越好，分析前按照數(shù)值越大越好的原則，將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。結(jié)果表明，22個(gè)早熟棉F1代材料的12個(gè)性狀指標(biāo)可以集中在前5個(gè)主成分上，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.20%，反應(yīng)了大部分遺傳變異信息。根據(jù)各材料間的主成分綜合得分篩選出5份綜合性狀優(yōu)良的F1代材料：7、5、10、3和19號(hào)。

隸屬函數(shù)法是對(duì)多個(gè)指標(biāo)的綜合分析，可以避免單一指標(biāo)的片面性，提高優(yōu)異種質(zhì)篩選的準(zhǔn)確性。王燕等[22]利用隸屬函數(shù)法對(duì)12份馬鈴薯材料進(jìn)行抗寒性綜合評(píng)價(jià)，篩選出極高抗寒性材料1份，強(qiáng)抗寒性材料2份。鄭強(qiáng)卿等[23]利用隸屬函數(shù)法對(duì)不同產(chǎn)地酸棗的種子性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，共篩選出種子特征優(yōu)良的3種酸棗類(lèi)型。本試驗(yàn)根據(jù)育種目標(biāo)及各農(nóng)藝性狀的特性，將生育期、株高和馬克隆值設(shè)為負(fù)相關(guān)指標(biāo)，其余為正相關(guān)指標(biāo)，以確保平均隸屬函數(shù)值越高的材料綜合性狀越優(yōu)。根據(jù)材料的隸屬函數(shù)綜合得分，共篩選出5份綜合性狀優(yōu)良的F1代材料：7、5、19、10和3號(hào)。

綜上所述，通過(guò)主成分分析和隸屬函數(shù)法對(duì)22個(gè)雜交組合F1代材料的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀分析發(fā)現(xiàn)，7、5、10、3和19號(hào)綜合表現(xiàn)最優(yōu)，可作為強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合進(jìn)行雜交種的配制，用于參加第2年的雜交種比較試驗(yàn)。