基于主成分分析和聚類分析的大白菜耐抽薹種質(zhì)資源評價(jià)

肖艷　張倩倩　原讓花　常懷成　王曉玲　原靜云　徐世靜　劉學(xué)圣

摘? ? 要：為了促進(jìn)大白菜優(yōu)良品種的選育，對50份合抱型大白菜種質(zhì)資源的開展度、株高、毛質(zhì)量等10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。結(jié)果表明，中心柱縱徑的變異系數(shù)為45.39%，凈質(zhì)量變異系數(shù)為29.88%，球葉數(shù)變異系數(shù)為28.71%，表明這50份大白菜種質(zhì)資源在產(chǎn)量、葉片數(shù)和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質(zhì)資源的比較和篩選。相關(guān)性分析結(jié)果表明，農(nóng)藝性狀指標(biāo)間相關(guān)性較強(qiáng)，指標(biāo)信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數(shù)指標(biāo)對大白菜種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評價(jià)。通過提取前3個(gè)主成分，特征值均大于1，同時(shí)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.793 9%，包含了主要農(nóng)藝性狀的絕大部分信息。通過聚類分析將50份大白菜種質(zhì)資源分為4類，利用主成分分析與聚類分析對大白菜種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀進(jìn)行考察和評價(jià)，篩選出不同用途的優(yōu)良親本材料。其中，從德高秋美、天正秋白×春?；?、太太菜、五月美皇中選育出的自交系分別為4個(gè)類群中表現(xiàn)最優(yōu)異的材料，研究結(jié)果為育種工作提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：大白菜；種質(zhì)資源；相關(guān)性分析；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S634.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）05-037-07

Evaluation of bolting tolerant germplasm resources of Chinese cabbage based on principal component analysis and cluster analysis

XIAO Yan ZHANG Qianqian YUAN Ranghua CHANG Huaicheng WANG Xiaoling YUAN Jingyun XU Shijing LIU Xuesheng

（1. Henan Xinxiang Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang 453000， Henan， China; 2. Henan Jinlei Seedling Co.， Ltd.， Xinxiang 453000， Henan， China）

Abstract： In order to promote the breeding of Chinese cabbage varieties， the variation， correlation， principal component analysis and cluster analysis of 10 agronomic traits， such as development degree， plant height and gross weight， were carried out in 50 germplasm resources of Chinese cabbage. The results showed that the coefficient of variation of central column longitudinal diameter， net weight and head number were 45.39%， 29.88% and 28.71%， respectively， the results showed that there were significant differences in yield， leaf number and bolting tolerance among the 50 Chinese cabbage germplasm resources， which was beneficial to the comparison and screening of germplasm resources. The results of correlation analysis showed that there was a strong correlation among the agronomic traits and the information of the traits overlapped， so the principal component analysis was suitable to extract a few indexes for comprehensive evaluation of Chinese cabbage germplasm resources. By extracting the first three principal components， the eigenvalues were all greater than 1， and the cumulative contribution rate was 75.793 9%， which contained most of the information of the main agronomic traits. Through cluster analysis， 50 Chinese cabbage germplasm resources were divided into 4 categories， and the agronomic characters of Chinese cabbage germplasm resources were investigated and evaluated by principal component analysis and cluster analysis， and the good parent materials for different purposes were screened out， Degaoqiumei，Tianzhengqiubai×Chunfuhuang， Taiaicai and Wuyuemeihuang are the best materials among the four groups.

Key words： Chinese cabbage; Germplasm resource; Correlation analysis; Principal component analysis; Cluster analysis

大白菜（Brassica pekinensis Rupr.）原產(chǎn)我國，栽培歷史悠久，在長期的栽培中通過自然選擇和廣大科研人員的不懈努力，培育形成了適應(yīng)不同地區(qū)、不同生態(tài)類型的地方品種，種質(zhì)資源十分豐富[1]。大白菜產(chǎn)業(yè)模式的變革使春播及高寒地區(qū)的大白菜栽培面積不斷擴(kuò)大。目前，我國在耐抽薹品種選育方面起步較晚，生產(chǎn)上種植的這些品種多依賴日本、韓國進(jìn)口，成為大白菜種業(yè)的“卡脖子”問題，突破的關(guān)鍵在于品種創(chuàng)新，而品種創(chuàng)新的關(guān)鍵在于實(shí)施種質(zhì)資源的精準(zhǔn)鑒定評價(jià)。

農(nóng)藝性狀具有直觀、經(jīng)濟(jì)、便于觀察及與作物的生產(chǎn)直接關(guān)聯(lián)等特點(diǎn)，是重要的作物評價(jià)指標(biāo)。劉來福[2]于1979年在國內(nèi)首次提出利用主成分遺傳距離度量親本間遺傳差異。針對表型性狀利用主成分分析和聚類分析進(jìn)行評價(jià)，在水稻[3-4]、玉米[5]、馬鈴薯[6]、辣椒[7]、西葫蘆[8]、蕓豆[9]、甘藍(lán)[10]等作物種質(zhì)資源研究中得到應(yīng)用。而在大白菜上的報(bào)道較少，劉永莉等[11]、范偉強(qiáng)等[12]利用數(shù)量性狀主成分分析和聚類分析研究大白菜品種間的遺傳差異。

筆者以新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院白菜研究所通過多年自交選育和游離小孢子培養(yǎng)獲得的50份合抱型大白菜種質(zhì)資源為材料，調(diào)查農(nóng)藝性狀，分析各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)、相關(guān)關(guān)系，采用主成分分析和聚類分析對大白菜種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評價(jià)，最終篩選出優(yōu)異種質(zhì)資源，該項(xiàng)工作對提高選育效率和育種水平具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料50份，均為新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院白菜研究所經(jīng)過多年自交選育獲得的合抱型大白菜自交系，材料來源見表1。

1.2 方法

2020年春季進(jìn)行田間鑒定，試驗(yàn)地點(diǎn)位于河南省新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院研發(fā)中心基地。2月13日，于日光溫室內(nèi)穴盤育苗，每盤50穴，每個(gè)材料育苗1盤，3月15日田間定植。田間小區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積6 m2。每份材料每個(gè)重復(fù)定植12株；采用起壟覆膜栽培，膜上定植，每壟定植雙行，株行距50 cm×50 cm，設(shè)保護(hù)行。在生長期間，及時(shí)防治病蟲危害。

5月15日統(tǒng)一調(diào)查株高、開展度、毛質(zhì)量、凈質(zhì)量、球高、球?qū)?、外葉數(shù)、球葉數(shù)、中心柱橫徑、中心柱縱徑10個(gè)農(nóng)藝性狀。農(nóng)藝性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB/T 19557.5－2017《植物品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 大白菜》，每個(gè)材料每次重復(fù)調(diào)查3株，取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

應(yīng)用Excel2016對源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與整理，得出各農(nóng)藝性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)等；再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入DPS?數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)第3版軟件，對10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，提取特征值大于1的因子作為主成分，得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率等，最后根據(jù)性狀的差異進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 50份大白菜種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀變異分析

由表2可知，在50份大白菜種質(zhì)資源中，不同大白菜種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出不同程度的差異，變異系數(shù)在9.83%～45.39%，變異幅度較大。其中，中心柱縱徑的變異系數(shù)最大，為45.39%，變異幅度為4.17～19.00 cm，極差是14.83 cm；其次是凈質(zhì)量，變異系數(shù)為29.88%，變異幅度為0.57～1.88 kg，極差是1.31 kg；其他性狀的變異系數(shù)從大到小依次為球葉數(shù)＞外葉數(shù)＞毛質(zhì)量＞中心柱橫徑＞球?qū)挘鹃_展度＞球高＞株高。結(jié)果顯示，除了株高，其他性狀的變異系數(shù)均大于10%，表明這50份大白菜種質(zhì)資源在產(chǎn)量、葉片數(shù)和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質(zhì)資源的比較和篩選。

2.2 50份大白菜種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的相關(guān)性分析

從表3可知，在50份大白菜種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)中，大白菜的開展度與株高、毛質(zhì)量、球高、球?qū)捄屯馊~數(shù)呈極顯著正相關(guān)；株高與毛質(zhì)量、球高、球?qū)捄屯馊~數(shù)呈極顯著正相關(guān)；毛質(zhì)量與凈質(zhì)量、球?qū)?、球葉數(shù)和中心柱橫徑呈極顯著正相關(guān)，與球高呈顯著相關(guān)；凈質(zhì)量與球?qū)?、球葉數(shù)和中心柱橫徑均呈極顯著正相關(guān)；球高與球?qū)?、外葉數(shù)呈極顯著正相關(guān)；球?qū)捙c球葉數(shù)呈顯著正相關(guān)；球葉數(shù)與中心柱橫徑呈極顯著正相關(guān)，與中心柱縱徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。這表明各農(nóng)藝性狀指標(biāo)間相關(guān)性較強(qiáng)，指標(biāo)信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數(shù)指標(biāo)對大白菜種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評價(jià)。

2.3 50份大白菜種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的主成分分析

在主成分分析的降維過程中，認(rèn)為特征值≥1的主成分具有一定代表性。由表4可知，前3個(gè)主成分的特征值分別為3.714 6、2.150 6和1.714 3，均大于1，同時(shí)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.793 9%，包含了主要農(nóng)藝性狀的絕大部分信息，因此選取前3個(gè)主成分進(jìn)行分析比較可靠，而其他成分的特征值均小于1，且方差貢獻(xiàn)率趨于平緩（圖1），代表性不強(qiáng)，不提取為主成分。

由表4、5可知，第一主成分的特征值為3.714 6，貢獻(xiàn)率為37.145 6%，以毛質(zhì)量（0.440 0）、球?qū)挘?.412 6）、開展度（0.384 5）和株高（0.348 5）的荷載較高，其特征值均為正值，說明第一主成分綜合反映了大白菜整體植株的信息。

第二主成分的特征值為2.150 6，貢獻(xiàn)率為21.505 5%，以中心柱橫徑（0.483 1）、球葉數(shù)（0.376 2）和凈質(zhì)量（0.366 6）的荷載較高，說明第二主成分反映的是大白菜的產(chǎn)量和球葉數(shù)信息。

第三主成分的特征值為1.714 3，貢獻(xiàn)率為17.142 8%，以中心柱縱徑（0.671 1）、外葉數(shù)（0.393 5）、球葉數(shù)（0.388 8）的荷載較高，說明第三主成分反映的是植株的耐抽薹信息。

2.4 大白菜主要性狀聚類分析

對50份大白菜種質(zhì)資源的10個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析，在遺傳距離2.7處將其分為4個(gè)組群（圖2）。計(jì)算各類群性狀的平均值（表6）。

第一類群包括13份大白菜種株質(zhì)，該類種質(zhì)平均開展度59.36 cm，株高35.47 cm，毛質(zhì)量2.38 kg，凈質(zhì)量1.47 kg，球高31.19 cm，球?qū)?1.13 cm，球葉數(shù)57.88片，中心柱橫徑4.78 cm，均是各類群最高。該類群可作為組配高產(chǎn)、大株型耐抽薹品種的親本材料。第二類群包括6份大白菜種質(zhì)，該類種質(zhì)平均中心柱縱徑17.72 cm，居各類群最高，球葉數(shù)26.00片，居各類群最少，凈質(zhì)量1.09 kg。該類群耐抽薹差，產(chǎn)量居中，不適合組配耐抽薹品種。第三類群包括13份大白菜種質(zhì)，該類種質(zhì)平均開展度50.95 cm，株高29.64 cm，球葉數(shù)達(dá)51.97片，中心柱縱徑6.54 cm，該類群株型小、葉片多、耐抽薹性較好，可作為組配耐抽薹娃娃菜品種的親本材料。第四類群包括18份大白菜種質(zhì)，該類群平均開展度為55.12 cm，株高33.43 cm，凈質(zhì)量最低，為0.85 kg，球高29.98 cm，球?qū)?9.33 cm，球葉數(shù)47.52片，中心柱縱徑6.99 cm。該類群屬于大株型，耐抽薹性好，結(jié)球較松，可作為組配耐抽薹品種的親本材料。

2.5 綜合評價(jià)

在聚類分析的基礎(chǔ)上對不同類群自交系主成分綜合得分值進(jìn)行排序，從而篩選出不同用途的優(yōu)良自交系，由表7可知，共分為了4個(gè)類群，其中第一類群綜合得分值最高的3個(gè)材料是德高秋美、貝貝黃和秋月黃；第二類群綜合得分值最高的3個(gè)材料是天正秋白×春福皇、特黃春×北京新三號和春?；省临F州黃點(diǎn)心；第三類群綜合得分值最高的3個(gè)材料是太太菜、迷你黃和福娃娃；第四類群綜合得分值最高的3個(gè)材料是五月美皇、山地黃金和豫藝冬美。

3 討論與結(jié)論

為了加強(qiáng)大白菜種質(zhì)資源的利用，促進(jìn)優(yōu)良大白菜品種的選育，筆者對50份大白菜合抱類型種質(zhì)資源于春季種植進(jìn)行了耐抽薹性鑒定。一般新鄉(xiāng)地區(qū)春季大白菜栽培定植后覆蓋小拱棚，4月5日左右拆棚。筆者于3月15日露地膜上定植大白菜材料，不搭建小拱棚，讓植株充分感受低溫。5月15日調(diào)查開展度、株高、毛質(zhì)量等10個(gè)農(nóng)藝性狀。

變異度分析表明，中心柱縱徑的變異系數(shù)最大，其次為凈質(zhì)量，再次為球葉數(shù)，表明這50份大白菜種質(zhì)資源在產(chǎn)量、葉片數(shù)和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質(zhì)資源的比較和篩選。相關(guān)性分析結(jié)果表明，凈質(zhì)量與球?qū)?、球葉數(shù)和中心柱橫徑呈極顯著正相關(guān)；球高與球?qū)?、外葉數(shù)呈極顯著正相關(guān)；球?qū)捙c球葉數(shù)呈顯著正相關(guān)；球葉數(shù)與中心柱橫徑呈極顯著正相關(guān)，與中心柱縱徑呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與余陽俊等[13]的研究結(jié)論一致。

在大白菜耐抽薹品種育種工作中，篩選優(yōu)良種質(zhì)最常用的方法是將產(chǎn)量性狀、耐抽薹性狀及其相關(guān)的性狀進(jìn)行分析評價(jià)，評價(jià)時(shí)主觀因素太多且分析比較片面。主成分分析可以將多個(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)，通過提取主要因子，可以綜合考慮多個(gè)性狀，比較客觀地篩選出優(yōu)良種質(zhì)[14]。在主成分分析前，先將中心柱縱徑進(jìn)行正向化處理，即在該性狀數(shù)值前加負(fù)號[15]，中心柱縱徑與球葉數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，大白菜的抽薹性與開花葉片數(shù)呈極顯著相關(guān)，花芽分化較晚，抽薹較晚，開花葉片數(shù)亦最多；相反抽薹早，開花早，開花葉片數(shù)則最少[13]；一般結(jié)球率大于80%，抽薹率低于10%，短縮莖<10 cm，認(rèn)為是耐抽薹性強(qiáng)的材料[16]。

筆者研究相關(guān)性分析的結(jié)果表明，各農(nóng)藝性狀指標(biāo)間相關(guān)性較強(qiáng)，指標(biāo)信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數(shù)指標(biāo)對大白菜種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評價(jià)。因此，筆者的研究結(jié)果表明，前3個(gè)主成分的特征值均大于1，同時(shí)累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)75.793 9%，包含了主要農(nóng)藝性狀的絕大部分信息，反映出了大白菜的整體植株、產(chǎn)量、球葉數(shù)和耐抽薹等信息，選取前3個(gè)主成分分析比較可靠。主成分分析是將原來多個(gè)指標(biāo)用少數(shù)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)來代替反映大部分信息的一種降維的分析方法[14]。聚類分析是將研究對象關(guān)系更接近的合并為一類，明確分類界限，但不會(huì)對信息進(jìn)行刪減，不會(huì)區(qū)分元素重要性，即類別間的重要性是等同的[17]。

親緣關(guān)系遠(yuǎn)近是白菜雜交育種親本組配時(shí)應(yīng)考慮的重要因素，定量描述親本材料的遺傳差異，對指導(dǎo)重組育種和優(yōu)勢育種研究具有重要意義[11]。聚類分析研究大白菜種質(zhì)資源間的遺傳差異，對優(yōu)勢育種的親本應(yīng)在類群間進(jìn)行選擇。因?yàn)轭惾洪g的遺傳差異大，更有利于雜種優(yōu)勢的利用。為了更好地利用大白菜種質(zhì)資源優(yōu)勢性狀進(jìn)行育種，筆者通過聚類分析將50份大白菜種質(zhì)資源共分為4類，第一類群種質(zhì)資源，株型較大、產(chǎn)量高、球葉數(shù)多、中心柱短、耐抽薹性好，可作為組配高產(chǎn)、大株型耐抽薹品種的親本材料；第二類群耐抽薹差，產(chǎn)量居中，不適合組配耐抽薹品種；第三類群株型小，耐抽薹性較好，可作為組配耐抽薹娃娃菜品種的親本材料；第四類群屬于大株型、耐抽薹性較好、結(jié)球較松散的材料，也可作為組配耐抽薹品種的親本材料；并在不同類群中對種質(zhì)資源主成分的綜合得分值進(jìn)行排序，以更好地篩選出不同用途的優(yōu)良種質(zhì)資源。在今后的研究中還可以增加材料的抗病性、軟葉率、球心色等性狀的調(diào)查，增加小區(qū)面積和調(diào)查株數(shù)，更全面地評價(jià)種質(zhì)資源。

綜上所述，筆者通過對50份大白菜種質(zhì)資源的株高、開展度、毛質(zhì)量、凈質(zhì)量、球高、球?qū)?、外葉數(shù)、球葉數(shù)、中心柱橫徑、中心柱縱徑10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行系統(tǒng)比較分析，并采用主成分分析、聚類分析和綜合評價(jià)，將50份種質(zhì)資源分為了4個(gè)類群，其中，從德高秋美、天正秋白×春?；省⑻?、五月美皇中選育出的自交系分別為4個(gè)類群中表現(xiàn)最優(yōu)異的材料，今后可根據(jù)育種目標(biāo)合理利用這些資源，為以后的大白菜育種工作提供科學(xué)依據(jù)，提高育種效率。

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