南疆海岛棉预试品系早熟丰产优质性状的因子-聚类分析

范君华，刘 明

（1塔里木大学生命科学学院，新疆阿拉尔843300；2塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300）

南疆海岛棉预试品系早熟丰产优质性状的因子-聚类分析

范君华1，刘 明2

（1塔里木大学生命科学学院，新疆阿拉尔843300；2塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔843300）

旨在为海岛棉新品种（系）综合评价、推广、利用以及早熟、丰产、优质亲本的选择和制定性状改良目标提供参考。利用2013—2014年新疆维吾尔自治区海岛棉53个预备试验品种（系）为材料，对供试材料20个性状进行变异性和相关性的研究，并进行因子分析和聚类分析。结果表明：海岛棉品种（系）早熟、丰产、优质性状中变异系数最大的为始节位、皮棉、伸长率，变异系数最小的是霜前花率、霜前皮棉、整齐度指数。测试指标之间存在错综复杂的关系。主成分分析表明前7个主成分的方差累积贡献率达87.25%，能够反映绝大部分性状信息；聚类分析将53个品种（系）分为4大类；在聚类分析的基础上对性状进行多元方差分析和综合评价，并提出性状改良方向。

海岛棉；区域试验；品种（系）；相关分析；因子分析；聚类分析；综合评价

0 引言

南疆是中国唯一的海岛棉产区和出口基地，已有63年(1955—2017)种植和17年原棉出口的悠久历史。在全球86个植棉国中仅有美国、埃及、中国等几个国家能生产海岛棉，中国新疆出产的海岛棉属于“世无我有、世有我优”的稀缺农产品。中国海岛棉产业的科技进步对国计民生、纺织、汽车、航空、国防等工业以及整个国民经济的发展都具有举足轻重的作用。南疆海岛棉生产在确保国家优质棉供给，促进南疆经济发展，“富民固边、稳疆兴疆”方面具有重要的战略意义。海岛棉种质的创新或新品种选育是海岛棉产业链的源头性工作。在海岛棉育种工作中，新育成品种（系）有着较多优良性状，因而被作为重要的种质资源。合理地评价海岛棉种质资源，是海岛棉育种工作的重要环节，也是其育种的基础。研究海岛棉资源的特性及分类是亲本和杂交组合选配的基础，为确定今后的育种目标，扩大种质的利用，以提高选择的效率和鉴定的准确性。海岛棉早熟性、产量、品质之间关系错综复杂，受品种遗传、环境、栽培条件的影响。因子分析是一种利用降维的方法，将多个具有相关关系的指标综合为少数几个主因子，以便合理解释原变量的相关性。前人在粮食作物[1-6]、豆类[7-9]、麻类[10-11]、蔬菜[12-14]、经济作物[15-18]、花卉[19]、中药[20-21]、南荻[22]、蓖麻[23]等作物广泛应用，在陆地棉资源、新品种、区试及预备试验[24-31]以及新疆彩色棉[32]已有报道，其结果对相应区域的棉花育种和生产都有较高的理论参考价值，对海岛棉[33]的研究仅限于新海18号以前的老品种的数量性状的报道，截止2016年新疆海岛棉品种已审定命名至新海58号。有关国内海岛棉（Xinhai Cotton，新海棉）品种（系）区域试验的报道极少[35]。美国海岛棉（Pima Cotton，皮马棉）品种（系）区试报告由美国农业部从1993年至2012年连续20年向世界发布；亚利桑那州的Marana、Maricopa和Safford农业中心皮马棉品种区试结果连续3年（1995、1997、1998）、7年(1992—1998)和10年(1994—2003)相继进行了报道[36-42]；加利福尼亚州（美国皮马棉主产区）的PIMA SJVCB VARIETY TRIALS测试报告2009—2014年连续6年网上发布。埃及海岛棉（Giza Cotton，吉扎棉）品种（系）区试资料未见公布。这些中外海岛棉的区试结果仅限于对参试材料的产量构成诸性状与6～7个纤维品质性状的报道，均未涉及这些性状之间的相关分析、因子分析和聚类分析等内容。本研究以2013—2014年新疆维吾尔自治区种子管理总站发布的海岛棉区域试验的53个预试品种（系）为材料，对其早熟性状、产量性状和纤维品质性状进行研究，探讨性状之间的相互关系，找出影响海岛棉早熟性、产量性状与纤维品质性状的主要因子，通过聚类分析，探讨今后改良的目标和方向，以期为海岛棉生产的合理布局、新品种（系）综合评价、推广、利用、高效高产栽培，早熟、高产优质亲本的选配和制定性状改良目标以及种质保护、创新等方面发挥一定的潜在作用效应，从而可缩短育种时间，加快育种进程，为推动中国优质海岛棉产业快速的发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验材料及测定指标

试验材料来源于新疆维吾尔自治区2013—2014年南疆早熟海岛棉预备试验的新品种（系）53个。

1.2 测试指标

考察植株早熟性状：株高(plant height，PH，cm)、单株果枝数（number of fruit branches per plant，NFB，台/株）、始节位（即第1果枝节位，first fruiting branches node，FFB，节）、生育期(growth period，GP，d)、霜前花率(percentage seedy cotton before the frost，PSCBF，%)；产量性状：单株铃数（number of bolls per plant，NBP，个/株）、总铃数（total boll number，TBN，×105个/hm2）、单铃重(boll weight，BW，g)、籽指(seed index，SI，g)、衣分(lint percentage，LP，%)、籽棉产量(seed cotton yield，SCY，×103kg/hm2)、霜前籽棉产量(seed cotton yield before the frost，SCYBF，×103kg/hm2)、皮棉产量(lint cotton yield，LCY，×103kg/hm2)、霜前皮棉产量(lint cotton yield before the frost，LCYBF，× 103kg/hm2)；HVICC纤维品质性状：上半部平均长度(upper half mean length，UHM，mm)、长度整齐度指数(fiber uniformity index，FUI，%)、马克隆值(micronaire，MIC，μg/Inch)、断裂比强度(strength toughness ratio，STR，cN/tex)、断裂伸长率(elongation to break，ELO，%)、纺纱均匀性指数(spinning consistent index，SCI)等20个性状。变异系数(CV，%)。

1.3 分析方法

采用因子分析聚类分析等多元统计方法，试验数据的统计分析使用Microsoft Excel 2010和DPSv14.50统计软件包进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 南疆预试海岛棉早熟、丰产、优质纤维性状的变异性及其相关性

2.1.1 预试海岛棉早熟、丰产、优质性状的变异性 由表1可以看出，早熟性状中，霜前花率平均值为96.3%，变异系数0.92%最小。始节位平均值是3.10，变异系数8.03%最大，主要受遗传因子支配。产量性状中，霜前皮棉平均值为1.44×103(kg/hm2)，变异系数0.92%最小，其次是衣分和籽指其平均值为32.8%和12.70 g，变异系数为3.22和3.56，表明衣分和籽指是品种（系）的固有属性。皮棉变异系数最大，为10.95%，表明受环境及栽培条件影响较大。纤维品质性状中，各变异系数依次为整齐度指数(0.93%)＜纤维长度(3.46%)＜纺纱指数(4.86%)＜马克隆值(5.96%)＜比强度(6.77%)＜伸长率(16.17%)。不同品种（系）的纤维长度、比强度、马克隆值、纺纱指数、伸长率有明显的差异，说明其具有较大的改良空间，而整齐度较一致。

2.1.2 预试海岛棉品种（系）早熟、丰产、优质性状的相关性分析 对20个性状的进行相关分析（表2），结果表明：在早熟性状中，株高与果枝数(r=0.338*，P＜0.05)显著正相关，与前花率(r=-0.281*，P＜0.05)显著负相关；果枝数和始节位(r=0.392**，P＜0.01)呈极显著正相关；生育期与始节位(r=0.490***，P＜0.001)呈极显著正相关，其余指标间不显著。在产量性状中，单株铃数与皮棉产量(r=0.485***)、霜前皮棉(r=0.465***)，总铃数与单铃重之间(r=0.831***)分别呈极显著正相关(P＜0.001)；总铃数和单铃重与籽棉、霜前籽棉、皮棉、霜前皮棉产量的r值依次为 0.764***、0.767***、0.743***、0.748***和0.498***、0.510***、0.473***、0.483***，均达极显著正相关(P＜0.001)；籽指与产量（0.329*、0.318*、0.324*、0.319*)达显著水平(P＜0.05)。在纤维品质性状中，纤维长度、整齐度与马克隆值(-0.210、-0.121)之间呈不显著负相关，与比强度(-0.695***，-0.553***)和马克隆值(-0.794***，-0.508***)呈极显著负相关(P＜0.001)，与纺纱指数(0.451***)和整齐度(0.506***)呈极显著正相关(P＜0.001)；马克隆值与伸长率(0.318*)、(0.489***)、纺纱指数(0.739***)呈显著、极显著正相关(P＜0.05～0.001)；伸长率与比强度(0.623***)呈极显著正相关，与纺纱指数(-0.281*)呈显著负相关。早熟性状与品质性状中，株高与纤维长度(0.296*，P＜0.05)和整齐度(0.450***，P＜0.001)呈显著、极显著正相关，与比强度(-0.391**)呈显著负相关；果枝数与马克隆值(0.273*)、纺纱指数(0.321*)、比强度(0.409**)呈显著、极显著正相关(P＜0.05～0.01)；始节位与生育期(0.490***)、单铃重(0.326*)、4 种产量(0.449***、0.443**、0.384**、0.383**)、马克隆值(0.552***)和纺纱指数(0.458***)呈显著、极显著正相关(P＜0.05～0.001)；果枝数与生育期(0.419**)、4项产量(0.529***、0.503***、0.507***、0.488***)、马克隆值(0.362**)、比强度(0.331**)呈极显著正相关(P＜0.01～0.001)，与整齐度(-0.350*)呈显著负相关(P＜0.05)；霜前花率与霜前籽棉产量(0.288*)和马克隆值(0.277*)呈显著正相关(P＜0.05)。产量性状与品质性状中，单铃重与纺纱指数(-0.341**)和马克隆值(-0.400**)呈极显著负相关(P＜0.01)；籽指与马克隆值(0.581***)和纺纱指数(0.522***)呈极显著正相关(P＜0.001)；马克隆值与产量(0.299*、0.275*、0.317*、0.307*)呈显著正相关(P＜0.05)。鉴于海岛棉20个指标存在错综复杂的关系，它们提供的相关信息出现重叠交错，很难找出它们的变化规律。因此，有必要再进行因子分析，找出主要因子。

表1 南疆海岛棉预试品系的早熟、丰产、优质纤维性状的变异性分析

2.2 南疆预试海岛棉早熟、丰产、优质纤维性状的因子分析

2.2.1 初始因子荷载矩阵 由表3可知，前7个公因子累积方差贡献率达87.25%，基本能够涵盖20个指标绝大部分相关信息，既保留绝大部分信息，又达到降维的目的。共同度是全部公因子对该性状的总方差所作的贡献，其数值大小表明所选主成分能反映该变量变异信息的多少，共同度越大，说明所选公因子代表该变量的效果越好。在表2中共同度较大的为总铃数单铃重(98.63%)和(98.58%)，其次为纺纱指数(95.99%)、单株铃数(95.37%)、籽指(95.34%)、籽棉产量(95.26%)、生育期(93.23%)、比强度(92.02%)。共同度最小的为马克隆值为(75.31%)、果枝数(75.52%)、皮棉产量(78.73%)，其余各性状的共同度均超过80%，表明所选的7个公因子能较好地反映全部性状所包含的相关信息。

2.2.2 初始因子载荷矩阵方差极大化旋转 由表4可见，第1公因子中荷载值较大的性状是株铃数(0.9107)、总铃数(0.9715)、单铃重(0.9696)和比强度(0.8227)载荷值较高，可称为产量因子，比强度与单铃重呈极显著正相关，说明选择大铃品种(系)有助于提高比强度。第2公因子中荷载值较大的性状是株高(0.7699)、衣分(0.7359)和马克隆值(0.8361)，可称为早熟和品质因子，衣分与株高和马克隆值呈极显著正相关，选择植株和衣分偏高的性状，有利于提高马克隆值。第3公因子中荷载值较大的性状是生育期(0.9526)、始节位(0.8023)和霜前花率(-0.8398)，可称为早熟因子，生千育期与霜前花率呈负极显著相关，说明生育期过长导致霜前花率变低。第4、5公因子中荷载值较大的是籽指(0.9582)、籽棉产量(0.9582)和皮棉产量(0.8597)，可称为产量因子，籽指与产量呈正相关，增加籽指重量可以提高海岛棉产量。第6、7公因子中荷载值较大的性状是纤维长度(-0.7436)、整齐度指数(-0.6390)和纺纱指数(0.9619)，可称为纤维品质因子。鉴于海岛棉生育期、产量与品质性状间存在错综复杂的相互关系，在今后新品种（系）的选择中，选择合适生育期、株高、株铃数适中品种（系）实现对产量改良，同时注重株高和马克隆值的关系，实现高产优质的结合。

表2 南疆海岛棉预试品系的早熟、丰产、优质纤维性状的相关性分析

表3 南疆海岛棉预试品系的早熟、丰产、优质纤维性状的初始因子荷载矩阵及共同度分析

表4 南疆海岛棉预试品系的早熟、丰产、优质纤维性状的方差极大旋转后的因子载荷阵分析

续表4

2.3 南疆预试海岛棉早熟、丰产、优质纤维性状的聚类分析

图1 南疆海岛棉53份预试品系的早熟、丰产、优质纤维性状的聚类分析图

本研究对原始数据进行标准化处理后，采用欧式距离法参试53个品种（系）聚为4大类8小类，见图1，各类品种（系）的主要产量及品质指标见表5。第Ⅰ类（图1中用表示），共13份材料，占总样本的24.53%；第Ⅱ类（图1中用表示）有12份材料，占总样本的近22.64%；第Ⅲ类（图1中用表示）有15份材料，占总样本的28.30%；第Ⅳ类（图1中用表示），共13份材料，占总样本的24.53%。由表5可知，第Ⅰ类比强度、伸长率、单铃重大，纺纱指数和植株高。属中产（皮棉1481.1～1675.9 kg/hm2）和纤维质量中上品系群，此类品系保持产量、纤维品质，应加强产量和品质改良。第Ⅱ类产量高，纤维长度短，纺纱指数低。属高产(1658.5～1950.8 kg/hm2)和纤维性状中下品系群，对这类品种（系）保持产量，应加强纤维品质改良。第Ⅲ类生育期长，纤维整齐度高，但是产量低，早熟性差。属低产(1347.8～1533.4 kg/hm2)早熟性差品系群，对这类品种（系），应加强早熟性状的改良，同时要提高产量。第Ⅳ类生育期长，产量较高，纤维长和整齐度高，马克隆值和单铃重偏低。属亚高产(1587.8～1811.9 kg/hm2)与纤维物理性能中等品系群，对这类品种（系），应加强早熟性的改良，同时以提高马克隆值为改良目标。

3 讨论与结论

对新疆维吾尔自治区海岛棉区域试验的53个新品种（系）20个性状进行变异性、相关性、因子分析和聚类分析。海岛棉品种（系）早熟、丰产以及优质性状中变异系数最大的为始节位、皮棉产量、伸长率，变异系数最小的是霜前花率、霜前皮棉。海岛棉纤维优质性状变异系数依次为伸长率＞比强度＞马克隆值＞纺纱指数＞纤维长度＞整齐度。朱明哲[25]结果表明，新疆早中熟陆地棉纤维品质性状的变异系数顺序为黄度＞马克隆值＞纺纱指数＞比强度＞纤维长度＞反射率＞伸长率＞整齐度。高进[30]研究表明，江苏早熟陆地棉纤维品质性状的变异系数顺序为马克隆值＞伸长率＞纺纱指数＞比强度＞纤维长度＞整齐度＞反射率。从上述结果可以看出：不同棉种以及不同的实验地点纤维品质变异系数变化较小的是整齐度、反射率、纤维长度。变化较大的是马克隆值、伸长率。纺纱指数和比强度居中。

相关分析表明，生育期是影响海岛棉早熟性的主要因素，株高、单株铃数、果枝数、衣分、单铃重是影响产量的主要因素，早熟性状中（生育期、始节位、株高、霜前花率）、单铃重是影响纤维品质的主要因素。海岛棉早熟性、产量性状和品质性状之间存在错综复杂的关系，它们提供的相关信息重叠交错，因此，有必要再进行因子分析找出主要因子。

经过因子分析将20个错综复杂关系的性状进行了有效降维归属于7个主成分，其累积方差贡献率达87.25%，能够准确反映原性状的主要信息。聚类分析将参试品种（系）聚为4大类（见图1，表5），第Ⅰ类属中早熟、中等产量和纤维品质中上品系群。第Ⅱ类属高产和纤维质量中下品系群。第Ⅲ类属低产早熟性差品系群。第Ⅳ类属次高产和棉纤维物理特性中等品系群。从本试验各品种（系）的皮棉产量、棉纤维质量可以看出，大部分品系的产量较高，纤维长度为38 mm左右，比强度超过43 cN/tex，纤维细度达A级(MIC=3.7～4.2)水平（见表1）。表明目前新疆在海岛棉早熟性或丰产性或优质性育种中取得了较好成果，因此，今后育种工作中协调好早熟性-丰产性-优质性及其各诸性状之间的相互关系以实现新品种综合性状优良的育种目标显得尤其突出。在实际育种工作中还可采用现代生物技术为棉花品质的改良提供新的机遇，以期在早熟性-丰产性-优质性上有所突破，本研究结果可为后续海岛棉新品种（系）推广以及育种家高效发掘和利用种质资源打下基础。

表5 南疆海岛棉53份预试品系4个类群的早熟、丰产、优质纤维性状的平均值与多重比较

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[41]Clark L J,Carpenter E W,Norton E R.Pima Cotton Regional Variety Trial,Safford Agricultural Center[EB/OL].Arizona Cotton Report, 2003. http://cals.arizona.edu/pubs/crops/az1312.AGRI10040204_982084[1].pdf,2002.

[42]Clark L J,Carpenter E W,Norton E R.Pima Cotton Regional Variety Trial,Safford Agricultural Center[EB/OL].Arizona Cotton Report(P-138)May 2004,126-130.AGRI10040204_200368088[1].pdf,2003.

Factor-Cluster Analysis of Early-Maturity,High-Yield and High-Quality Traits of Gossypium barbadense L.Test Lines in South Xinjiang

Fan Junhua1,Liu Ming2
(1College of Life Science,Tarim University,Alaer 843300,Xinjiang,China;2Plant Science,Tarim University,Alaer 843300,Xinjiang,China)

The aim is to provide references for comprehensive evaluation,extension and utilization of new island cotton varieties(lines),selecting early maturity,high yield and quality parents,and designedly improving cotton traits.Using 53 reserve experimental varieties(lines)of island cotton between 2013 and 2014 in Xinjiang as the experimental materials,and variability,correlation,factor analysis and cluster analysis were conducted on 20 traits.The results showed that the first flower node,lint cotton and elongation of island cotton had the biggest coefficients variation,and pre-frost flower rate,pre-frost lint cotton and uniformity index had the minimum coefficients variation.There were complicated relationships among test indexes.Principal component analysis indicated that the cumulative variance proportion of the first seven principal components was 87.25%,which could reflect the information of vast majority of traits.The cluster analysis classified the 53 varieties(lines)into 4 types.Based on the cluster analysis,the traits were evaluated by multiple variance analysis and comprehensive assessment,and an improvement direction was presented.

Sea Island Cotton(Gossypium barbadense L.);Regional Test;Varieties(Lines);Correlation Analysis;Factor Analysis;Cluster Analysis;Comprehensive Assessment

S562

A论文编号：cjas17050035

国家自然科学基金项目“南疆的埃及棉、皮马棉、中亚海岛棉棉子油分蛋白蓄积机理研究”(31360303)，“融埃及棉血缘的南疆零式株型海岛棉优质纤维形成的生理机制”(31060035)。

范君华，女，1965年出生，新疆阿克苏人，副教授，本科，主要从事作物高产栽培研究。通信地址：843300新疆阿拉尔市塔里木大道东1487号 塔里木大学生命科学学院，Tel：0997-4685623，E-mail：fjhzky@163.com。

刘明，男，1962年出生，新疆阿克苏人，教授，硕士生导师，本科，研究方向：作物高产生理生态。通信地址：843300新疆阿拉尔市塔里木大道东1487号 塔里木大学植物科学学院，Tel：0997-4680312，E-mail：lmzky@163.com。

2017-05-25，

2017-07-30。