基于主成分分析的玉米杂交组合农艺性状综合评价

2016-04-23潘天遵高聚林苏治军于晓芳王志刚孙继颖胡树平赵宽厚

北方农业学报 2016年4期

潘天遵，高聚林，苏治军，于晓芳，王志刚，孙继颖，胡树平，刘剑，赵宽厚

（内蒙古农业大学农学院，内蒙古呼和浩特 010019）

玉米在种植面积上已经超过水稻的种植面积，成为我国第一大粮食作物[1]，但是我国玉米种质资源狭窄已成为制约玉米育种发展主要限制因素[2-5]。种质资源是决定各种遗传性状的基因资源，是育种工作的物质基础[6]。杨爱国[7]等评价了27个玉米群体配合力和产量杂种优势。孙广全[8-10]等人评价了20个群体的抗病、农艺性状、配合力及其杂种优势关系。因此，通过群体构建组配杂交组合，从中选育出优良的杂交组合，是解决我国种质资源基础狭窄问题有效方法和途径[11-12]。本研究对已组配杂交组合进行筛选，为我区玉米育种工作提供基础材料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选择早熟的21份自交系与德美亚Ⅰ号父本（♂）和德美亚Ⅰ号母本（♀）随机组配21个杂交组合作为供试材料，并标号为S1～S21。

1.2 试验设计

2014年在内蒙古包头市葫芦头村对21个杂交组合进行鉴定。土壤有机质含量23.49 g/kg，碱解氮65.38 mg/kg，速效磷 10.13 mg/kg，速效钾 95.20 mg/kg。随机区组设计，密度为12 000株/hm2，2行区、行长4 m、行距0.5 m，以德美亚Ⅰ号杂交种为对照（CK），试验设3次重复，其他管理同大田。

1.3 测定指标与方法

生育期：出苗期到成熟期天数。光合特性：灌浆期应用美国LI-COR公司产LI-6400XT光合测定系统，采用开放式气路和内置光源，在同化CO21 500μmol m2/s光强条件下进行光合性能测定；选择晴朗无云天气 9：00～11：00 时，15：00～17：00 时，每小区取中间长势一致3株的穗位叶测量。叶片相对叶绿素含量（SPAD值）：采用日本美能达公司产的手持式SPAD-502型叶绿素仪器，多点测定穗位叶。叶面积指数（LAI）：灌浆期取每个小区有代表性3株玉米，采用长宽系数法测定单株绿叶面积，并计算LAI。收获时籽粒含水量：成熟期小区实收，采用日本PM-8188NEW谷物水分分析仪测定。苞叶数：成熟期每小区取3穗带回实验室数苞叶层数。收获期苞叶含水量：成熟期每小区取3穗带回实验室测苞叶鲜重和苞叶干重。茎秆力学特征测定：玉米成熟期，各小区选取长势一致3株测量株高、穗位高、第三节间茎粗、第三节间穿刺强度、第三节折断力度。穗高系数＝穗位高/株高茎粗：采用电子游标卡尺，测量玉米第三茎节间中间部位直径。茎秆穿刺强度：应用YYD-1型茎秆强度测定仪测定，将一定横断面积（1 mm2）的测头在茎秆节间中部垂直于茎秆方向匀速缓慢插入，读取穿透茎秆表皮的最大值即为穿刺强度（N/mm2）。茎秆折断力度：采用YYD-1型茎秆强度测定仪测定，将玉米茎秆放到支架台上，弧形探头贴住茎秆快速下压，计算机显示茎秆折断时的最大力度值即为茎秆折断力度（N）。

计算各项指标的变异系数，其计算公式为：

2 结果与分析

2.1 杂交组合主要农艺性状及变异分析

由表1、表2可知，22个杂交组合的所测指标存在丰富的差异。其中变异系数最大的性状为气孔导度（Gs），平均值为0.12，变异系数达26.05%，变幅为0.05～0.23 mol/（m2·s），气孔导度最大的组合为S1-19和S1-8，最小的为S1-1和S1-9；其次为蒸腾速率（Tr），平均值为4.36%，变异系数达16.04%，变幅为2.55～6.28 mmol/（m2·s），蒸腾速率最大的组合为S1-7，S1-5和S1-3，最小的组合为S1-20。各性状的变异系数从大到小排序依次为：气孔导度＞蒸腾速率＞穗高系数＞穗上叶片数＞单株产量＞苞叶数＞净光合速率＞胞间CO2浓度＞穗位高＞生育期＞LAI＞百粒质量＞茎粗＞茎秆节间折断力度＞收获时苞叶含水量＞SPAD值＞茎秆节间穿刺强度＞收获时籽粒含水量＞株高。

2.2 杂交组合主要农艺性状方差分析

杂交组合主要性状方差分析结果表明，21个性状中除了穗上叶片数达到了显著水平，其余20个性状均达到了极显著水平。说明各个性状在各组合间均存在差异，可以进一步分析。将以下21个性状进行分类分析，第一类为宜机收的指标：株高、穗位高、穗高系数、穗上叶片数、茎粗、茎秆节间穿刺强度、茎秆节间折断力、收获时籽粒含水量、收获时苞叶含水量、苞叶数和生育期；第二类为光合特性：SPAD值、Pn、Gs、Ci、Tr；第三类为产量构成因素：百粒质量、单株产量、穗粒数、出籽率。

表1 22个玉米杂交组合生育期、生理指标及变异分析

2.3 杂交组合主成分分析

2.3.1 建立综合评价指标体系优良组合是由宜机收性能、光合特性和产量因素共同决定的，而指标的选择影响了宜机收性能、光合特性和产量因素。因此，对组合进行主成分分析，筛选21个农艺性状的累计贡献率达到85%以上指标。现将21个测定指标定义为：X1为株高，X2为穗位高，X3为穗高系数，X4为穗上叶片数，X5为茎粗，X6为茎秆节间穿刺强度，X7为茎秆节间折断力度，X8为收获时籽粒含水量，X9为收获时苞叶含水量，X10为苞叶数，X11为生育期，X12为 SPAD 值，X13为 LAI，X14为 Pn，X15为Gs，X16为 Ci，X17为 Tr，X18为百粒质量，X19为单株产量，X20为穗粒数，X21为出籽率。

2.3.2 杂交组合主成分分析对22个杂交组合测定的株高等21个指标进行主成分分析，结果见表3。根据累计贡献率≥85%具有代表性原则，提取了前7个主成分的特征值及累计贡献率。其中第一个主

成分特征值和贡献率最大，分别是5.131和24.435%，其次为第二、第三、第四、第五、第六、第七，特征值和贡献率分别为4.365、2.807、1.924、1.605、1.312、1.106 和 20.786% 、13.364% 、9.162% 、7.641%、6.246%、5.268%。

表2 2 2个玉米杂交组合主要农艺性状表现及变异分析

其中第一主成分和第二主成分累计贡献率分别达24.435%、45.222%，对应的特征向量较大的性状为生育期、玉米节间穿刺强度、玉米节间折断力度、株高、穗位高、穗高系数和收获时苞叶含水量，这些指标与宜机收有关，称为宜机收因子；第三主成分的特征值2.807，贡献率13.364%，特征向量较大的性状为单株产量、穗粒数和穗上叶片数，称为产量因子；而第四主成分、第五主成分和第六主成分贡献主要集中在光合特性，特征向量较大的为Pn、Gs、Ci、茎粗、SPAD值、Tr和LAI，称为光合因子；而第七主成分的特征值1.106，贡献率5.268%，特征向量较大的性状为收获籽粒含水量和苞叶数，称为穗部因子。以上7个主成分的累计贡献率为86.903%，基本包含了所测指标的全部信息。

表3 22份杂交组合S1世代主成分载荷矩阵

2.3.3 基于主成分分析对S1世代杂交组合构建得分函数由表3主成分载荷矩阵中的21个农艺指标的特征向量值为Z（x）函数自变量X（i）系数，构建7个得分函数：

将S1世代杂交组合21个指标原始数据进行标准化代入以上函数公式结果见表4。

表4 S1世代杂交组合函数值

2.3.4 基于主成分分析的杂交组合综合评价分别以7个主成分的贡献率为权重，7个主成分因子的权重为 0.244、0.208、0.134、0.092、0.076、0.063、0.053，以权重为函数系数，构建主成分综合评价模型公式：

F＝0.244Z1+0.208Z2+0.134Z3+0.092Z4+0.076Z5+0.063Z6+0.053Z7（F为样本综合评价得分值），将表4中的函数值代入评价模型得表5。

由评估模型公式可以得出22份杂交组合综合得分，由表5可知，各个杂交组合之间存在较大的差异，CK得分为0.241，排名第10，其他杂交组合表现优于 CK 的依次为 S1-18＞S1-4＞S1-6＞S1-12＞S1-13＞S1-14＞S1-8＞S1-19＞ S1-20，说明这 9 个杂交组合宜机收性能较好、光合性能高、产量高、综合性状好。而其余12个杂交组合综合性状表现均低于CK。

2.4 玉米优良杂交组合主要农艺性状的比较

由表6可知，通过主成分分析筛选出优良组合的主要农艺性状平均值与CK比较。结果为：生育期为106 d左右与CK（106 d）基本一致且均能正常成熟；光合特性的 Pn、Gs、Ci、Tr较 CK 分别提高了13.92%、16.67%、8.86%、0.92%，而SPAD值和LAI较CK分别降低了1.76%和1.01%；产量因素中百粒质量、穗粒数、出籽率、单株产量分别较CK提高了5.56%、0.61%、0.20个百分点、9.76%；株高、穗位高、穗高系数、茎粗、收获籽粒含水量以及收获时苞叶含水量分别较CK提高了 8.59%、32.31%、21.21%、4.49%、4.42个百分点、0.16个百分点；茎秆节间穿刺强度和茎秆节间折断力较CK降低了6.05%和1.93%；而苞叶数与CK相等。尤其S1-8和S1-12综合性状较好。S1-8的21个农艺性状中15个农艺性状都优于CK的农艺性状，其中SPAD值、Pn、Gs、Ci、Tr、百粒质量、出籽率、单株产量分别较CK提高了 6.77%、11.39%、25.00%、3.89% 、4.36%、6.67%、0.07个百分点、6.10%；而生育期、苞叶数、收获时苞叶含水量分别较CK低1 d、1片、2.37个百分点；株高、穗位高、穗高系数、穗上叶片数与CK表现一致。S1-12的21个农艺性状中14个农艺性状都优于CK 的农艺性状，其中 LAI、Pn、Ci、Tr、茎粗、百粒质量、穗粒数、出籽率、单株产量分别较CK提高了7.09% 、18.10% 、1.93% 、12.16% 、3.38% 、10.16% 、4.33%、1.35个百分点、6.10%；而生育期、穗上叶片数、收获时苞叶含水量分别较CK低1 d、1片、2.77个百分点；穗高系数、苞叶数与CK表现一致。

表5 主成分因子综合评价得分及排序

3 讨论

在玉米育种工作中，应用了较多数量性状，在众多的性状选择时，往往会考虑不周，给综合评价玉米育种工作带来一定困难[13]。应用主成分分析方法，可以将多个指标问题转换较少新的指标[14]，这种降维思想为综合评价提供了有力的理论依据和技术支持[15]。主成分分析综合评价也应用于玉米品种选育方面。何文铸等应用主成分分析从26份青贮玉米综合评价出4份品质、光合特性、农艺性状等综合性状好的青贮玉米资源[16]。刘长华等用主成分分析从80份加拿大玉米群体杂交选系中，筛选出了12份优良系[17-20]。本研究采用DPS7.05软件的主成分分析对早代群体进行综合评价，首先在材料的变异丰富和方差显著基础上进行了主成分分析。结果表明：筛选出优良杂交组合有 S1-18、S1-4、S1-6、S1-12、S1-13、S1-14、S1-8、S1-19、S1-20。这些优良组合综合指标表现较好，但是株高、穗位高、收获时籽粒含水量、收获时籽粒苞叶数稍高于CK。这可能是材料为群体改良早代群体的第一代，性状还不够稳定，还需要对其加以改良。

本研究中筛选出9个优良杂交组合，分别为S1-18、S1-4、S1-6、S1-12、S1-13、S1-14、S1-8、S1-19、S1-20。尤其S1-8和S1-12综合性状较好，这些优良的组合在育种方面具有利用价值，也为高代群体改良提供了基础材料。