玉米杂交种主要农艺性状的系统聚类分析

孙开利 李清超 马 俊 吴瑞 田井平 郭龙富 陈启敏

摘 要：该文采用系统聚类的R型聚类法对12个玉米杂交种的11个农艺性状间相互关系进行了初步探讨，采用组间连接法计算11个性状间的相关系数。结果表明：11个性状共划分为4个类，Ⅰ类为株高、产量、穗粗、单穗粒重和穗行数，Ⅱ类为生育期、穗长和穗位高，Ⅲ类为行粒数和百粒重，Ⅳ类为秃尖长。可见，R型聚类分析能够将不同性状按照性状间相关系数的大小进行聚类分析，可为玉米杂交种的选育及性状相关研究提供科学依据。

关键词：玉米；农艺性状；聚类分析

中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2015）14-28-03

系统聚类法的R型聚类是研究性状间复杂关系的有效方法，剖析玉米杂交种性状间的主次关系，筛选玉米相关性状典型指标，为玉米杂交种选育及性状间关系的科学评价提供参考。玉米是重要的粮食作物，研究玉米雜交种性状间的相互作用一直是广大育种者关心的问题，前人对玉米性状间关系的研究，一般采用相关分析进行，相关分析能够对性状间的相关性进行很好的分析，但不能将性状进行分类、筛选典型指标等。聚类分析是对多维空间的若干样本点进行分类的一种多元统计方法[1]。近年来，该方法应用较为广泛，刘二明等[2]对水稻稻瘟病抗性进行聚类分析，鲍江峰等[3]对脐橙主要食味品质进行研究，罗俊等[4]对甘蔗光合特性进行探讨，同时，该方法还在红麻[5]，谷子[6]等作物中进行研究，而对玉米的研究主要集中在配合力[7-10]、氮素吸收利用效率[11]等方面，对玉米农艺性状进行R型聚类分析的研究鲜见报道。因此，本研究采用R型聚类法对12个玉米杂交种的11个农艺性状进行聚类分析，筛选R型聚类性状中每一类的典型指标性状，为玉米杂交种的选育及性状间的关系研究提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料 12个参试杂交种及其相关数据来源于2012年贵州省高海拔地区玉米区域试验结果，实验采用随机区组排列，3次重复，小区面积20m2，行数5行，行长5m，密度为52 500株/hm2。实验管理略高于当地生产水平。于2012 年在贵州省六盘水市盘县、水城县，贵州省毕节市赫章县，贵州省毕节市大方县和贵州省毕节市威宁县等5个试点进行种植。观测性状：生育期、株高、穗位高、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长、单穗粒重、百粒重和产量。

1.2 分析方法 采用office2007和SPSS18.0软件进行数据处理与分析，采用系统聚类的组间连接法，度量标准选择Pearson相关性。并分别绘制11个农艺性状的聚类冰状图和树状图。

2 结果与分析

2.1 各性状的描述性统计分析 由表1可知，12个品种的11性状在5个试点下的变异系数变化范围较大，在5.13%～114.51%之间，其中，变异系数最小的农艺性状是穗粗，其次是生育期，变异系数最大的性状是穗位高，其次是秃尖。可见不同的性状变异系数不同，表明不同基因型间，不同的性状存在不同程度的遗传变异，这主要有

2个方面的原因，一是品种间本身的差异造成的。二是不同地点对品种的基因型与环境互作效应（GEI）造成的。

表1 各性状描述统计分析

2.2 不同性状间变量聚类（R型）分析 采用系统聚类的组间连接法，度量标准选择Pearson相关性，得出11个性状的系统聚类冰状图（图1）和树状图（图2）。可看出，11个性状共划分为4个类群，Ⅰ类为株高、产量、穗粗、单穗粒重和穗行数；Ⅱ类为生育期、穗长和穗位高；Ⅲ类为行粒数和百粒重；Ⅳ类为秃尖长。在对玉米杂交种进行综合评价时，可将原来的11个农艺性状用4个综合指标（因子）来进行代替，即4个综合指标能够解释原来的11个农艺性状的全部信息。本研究中秃尖自成一类，因此秃尖即是4个因子之一，只需要在其他3类中筛选相应的典型指标即可。

图3 不同性状间变量聚类（R型）冰状

图4 不同性状间变量聚类（R型）树状

2.3 不同性状间变量聚类（R型）过程分析 由表2可以看出，系数代表各参试性状间的相关系数，相关系数越大的首先聚为一类，例如，株高和产量的相关系数最大，为0.743，首先聚为一类，其次，穗粗和单穗粒重的相关系数为0.635，合并在一起，以此类推，经过10次迭代分析聚类，最后将11个农艺性状聚为4类。

表2 各性状聚类分析

2.4 典型指标筛选分析 根据上述的性状聚类分析结果可知，除秃尖外，在其余3类中分别选择典型指标，根据公式[R2=r2m-1]，其中[R2]为相关指数，r为相关系数，m为该类中变量个数，计算出每一类中每一变量与其余变量的相关指数的均值，即各相关系数平方的均值。因此，第一类中包含株高、单产、穗粗、单穗粒重和穗行数，其相关指数分别为[

其中单产相关指数最大，为0.2797，因此，第一类中将选取单产作为典型指标。由于第二类包括生育期、穗长和穗位高等3个性状，因此，利用上述方法分别计算该类中3个性状的相关指数分别为[R2X1]=0.1445，[R2X4]=0.1397，[R2X3]=0.0633，因此，生育期为典型指标。行粒数和百粒重聚为第三类，其相关指数均为0.0475，二者均可作为典型指标，因此，本文可用单产、生育期、行粒数、百粒重和秃尖代替原始的11个性状，对品种进行评价。

表3 各性状相关性分析

*在0.05水平（双侧）上显著相关；**.在0.01水平（双侧）上显著相关。

3 讨论与结论

R型变量聚类法，是一种降维的方法，用于在目标性状众多时寻找有代表性的性状，以便在用少量、有代表性的性状或综合因子代替多性状集时，损失信息少。本研究采用聚类分析的R型聚类分析法对12个品种的11个性状进行研究，11个性状共划分为4个类，Ⅰ类为株高、单产量、穗粗、单穗粒重和穗行数，Ⅱ类为生育期、穗长和穗位高，Ⅲ类为行粒数和百粒重，Ⅳ类为秃尖长。每一类内部性状间的相关系数较大，关系较密切，类间性状的相关性较小，关系较疏远。由于前人利用R型聚类法对玉米进行分析的研究较少，加之所有材料，研究性状的差异，造成研究结果无法进行比较。

本研究将11个农艺性状聚为4类，可在每一类中相关指数的大小筛选相应的典型指标，可将原来的11个农艺性状用4个典型指标（因子）来进行代替，即4个综合指标能够解释原来的11个农艺性状的全部信息。本文可用单产、生育期、行粒数、百粒重和秃尖代替原有指标对品种进行评价。综上所述，聚类分析法可以很好的應用于玉米杂交种性状间关系研究及典型指标的筛选，为玉米杂交种的选育及性状间的关系研究提供科学依据。

参考文献

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