基于主成分分析和聚类分析的甜糯玉米新组合育种潜力评价

张振良，黄小兰*，薛 林,2，陈国清,2，郝德荣，陆虎华，冒宇翔，周广飞，石明亮**

(1.江苏沿江地区农业科学研究所，江苏 南通 226541；2.江苏省现代作物生产协同创新中心，江苏 南京 210095)

甜糯玉米既能鲜食还可以加工成罐头速冻产品，具有适口性好、风味独特、富含人体所必需的多种营养成分等诸多优良特性，并且具有多种医疗保健功效。近年来，我国多家科研单位已相继培育出一系列甜糯玉米杂交种，如苏玉糯10号、苏科糯3号、苏科糯5号、神玉糯1号、美玉7号、渝甜糯1号、京科糯2010等。针对消费者对甜糯玉米不同花色类型的需求，育成了红色甜糯玉米新品种西星红糯4号、彩色甜糯玉米新品种晶彩花糯5号等，大大丰富了甜糯玉米品种类型。随着人民生活水平的不断提高，对甜糯玉米的需求量急剧增加，同时也对其食用品质、产量、类型提出了更多、更高的要求，需要选择育香甜可口、糯性较好、色泽好看、穗型漂亮、产量较高等综合性状好的甜糯玉米新品种。在甜糯玉米选育中，为了选育高产、优质等综合性状兼顾的甜糯玉米杂交种，往往需要进行品种比较试验，筛选优异杂交组合。在鉴定筛选过程中，不仅要分析各杂交组合的产量性状的表现，还要结合育种目标考虑感官品质、蒸煮品质方面的表现，才能对参试的组合做出较全面的综合评价。由于产量和品质相关性状大部分为数量性状，且涉及的性状较多，单从个别性状进行选择，往往出现顾此失彼的现象，给甜糯玉米新组合综合性状的选择带来一定困难。

主成分分析是把多个指标转化为少数几个综合指标的一种统计分析方法，通过降维找出几个综合因子来代表原本众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来变量的信息量[1-2]。聚类分析是一种多元统计方法，主要用来研究各种事物或现象的分类，对试验品种进行综合分析，得出较为全面的综合评价结果[2-6]。目前，主成分分析和聚类分析在甜糯玉米新组合产量和品质性状综合评价方面的研究还未见报道。

本研究对50个甜糯玉米新组合(品种)的产量和品质性状进行了系统鉴定与综合评价，以期鉴定和综合评价出优质、高产、综合性状优良的甜糯玉米新品种。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试甜糯玉米组合来源于江苏沿江地区农业科学研究所选配的49个杂交组合及1个生产上大面积应用的自育玉米品种苏玉糯5号，共计50个，其中49个杂交组合是从组配的1000个杂交组合中筛选出的株形和外观较优且抗病性较好的甜糯玉米组合，参试组合及品种名称见表1。

表1 参试组合及品种名称

1.2 试验设计

2015年冬在海南配制49个甜糯玉米杂交组合，2016年、2017年将49个杂交组合和对照(苏玉糯5号)在江苏沿江地区农业科学研究所如皋试验基地春播(4月5日)和秋播(7月28日)种植。随机区组设计，2次重复，6行区，等行距，行距为0.6 m，密度为3500株/667 m2，试验周边设置保护行。试验地沙壤土，肥力水平较高，田间管理按大田常规管理方法进行，春播和秋播试验设计一致。

每个杂交组合种植6行区，中间有4行，其中3行用于测产，另外1行用于品质鉴定；授粉后第25天在各小区取中间3行果穗，在室内调查小区鲜穗产量(X1)，晒干后称得干穗重(X2)，果穗含水率为X3=(X1-X2)/X1；脱粒称得粒重(X4)，出籽率为X5=X4/X2，百粒重为X6；脱粒之前选取10个具有代表性的干果穗，分别测量穗长(X7)、秃尖长(X8)、行数(X9)、行粒数(X10)。为防止花粉直感影响籽粒品质，用于品质鉴定的果穗套袋自交，套袋隔离直至采摘，以备品尝。鲜食品质构成性状标准与国家、省区试的品质评价方法相同，包括感官品质21～30(分值)(X11)、蒸煮品质[气味、风味11～17(分值，后略)(X12)，色泽4～7(X13)，糯(甜)性10～18(X14)，柔嫩性7～10(X15)，皮薄厚10～18(X16)]。品尝以苏玉糯5号为对照，其感官品质23、蒸煮品质62[气味、风味16，色泽6，糯(甜)性16，柔嫩性8，皮薄厚16]，总得分为85分。

1.3 统计分析

采用SPSS 16.0软件进行描述性统计分析及方差分析，应用DPS软件进行主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 50个甜糯玉米新组合(品种)表型变异分析

由表2可知，50个甜糯玉米新组合(品种)16个与产量和品质相关的性状均表现出极显著差异，其中以秃尖长(X8)的变异系数最大，为49.71%，表明秃尖长在甜糯玉米新组合选育过程中变异程度最大，选育潜力较大；其他依次为穗粒重、果穗含水量、小区鲜穗产量、小区干穗重、色泽、百粒重、糯性、皮薄厚、柔嫩性、行数、穗长、气味风味、行粒数、感官品质；出籽率的变异系数最小，为6.61%，表明甜糯玉米组合(品种)产量和品质相关性状间有显著差异，这为甜糯玉米新品种的选育提供了参考依据。

表2 参试组合(品种)表型变异分析

注：**表示在P<0.01水平上的差异显著性。

2.2 主成分分析

用DPS软件对甜糯玉米组合(品种)16个产量和品质相关性状进行主成分分析，解出特征根和特征向量，根据累计贡献率≥85%具有代表性的原则，提取了前5个主成分特征值、贡献率及累计贡献率列于表3。由表3可知，5个主成分的累计贡献率已经达到89.42%，足以反映该数据变化规律，符合主成分分析的要求，可以作为数据分析的有效成分。

从表4可以看出，第1主成分的贡献率为28.73%，其特征向量所包含的生物学信息主要是穗粒重(X4)、出籽率(X5)、百粒重(X6)等粒重相关因素，故第1主成分为粒重构成因子。其向量间关系表明，穗粒重(X4)、出籽率(X5)、百粒重(X6)较大的组合，其果穗含水量(X3)、小区鲜穗产量(X1)、小区干穗重(X2)也相对较高，而柔嫩性(X15)、感官品质(X11)、皮薄厚(X16)、气味风味(X12)、糯性(X14)等品质相关性状略微降低。

第2主成分的贡献率为20.55%，其与小区鲜穗产量(X1)、小区干穗重(X2)表现出相对较高程度正相关，而与秃尖长(X8)表现出较大程度负相关，小区鲜穗产量(X1)、小区干穗重(X2)对第2主成分的贡献较大，因而第2主成分为果穗重量因子。其向量关系表明，当小区鲜穗产量、小区干穗重较大时，其行粒数、行数、百粒重、出籽率也相对较大，而秃尖长度则较短。

第3主成分的贡献率为17.71%，特征向量中感官品质(X11)、色泽(X13)贡献较大，故称第3主成分为外观品质因子。特征向量关系表明，当感官品质和色泽得分较高时，其行粒数、百粒重、行数、穗长一般也较大，柔嫩性、气味风味得分也较高，而出籽率、穗粒重、秃尖长一般较小。

第4主成分的贡献率为8.00%，特征向量中行数(X9)、穗长(X7)、行粒数(X10)贡献较大，故称第4主成分为穗部性状因子。特征向量关系表明，当行数、行粒数较多，穗长较长时，其小区鲜穗产量、秃尖长也相对较大。

第5主成分的贡献率为7.48%，特征向量中果穗含水量(X3)、柔嫩性(X15)、糯性(X14)、气味风味(X12)贡献较大，因而称第5主成分为蒸煮品质因子。特征向量关系表明，当果穗含水量较高，柔嫩性、糯性、气味风味得分较高时，其小区鲜穗产量、穗粒重相对较低。

从产量和品质因子综合考虑，第1主成分越大越好，因此要获得产量较高的品种，应加强对粒重相关性状的选择。第2主成分为果穗重量因子，第2主成分越大，果穗越重。第3主成分为外观品质因子，第3主成分越大，果穗的外观品质越好。第4主成分为穗部性状因子，第4主成分越大，其行数、穗粒数越多，穗长越长。第5主成分为蒸煮品质因子，第5主成分越大，其蒸煮品质性状得分越高。

表3 试验材料相关阵的特征根、贡献率及累计贡献率

表4 入选的5个主成分及其特征向量

2.3 二维排序分析

本研究以第2主成分(果穗重量因子)为横坐标，分别以第1、3、4、5主成分为纵坐标做散点图，可以更直观地揭示甜糯玉米组合间基因型差异状况。二维排序图上的横坐标和纵坐标越大，其产量和品质相关性状越好。组合9、组合24、组合29、组合32、组合34、组合35、组合38、组合47、组合49等9个组合的第1主成分值(粒重因子)较其他组合大，是籽粒产量较高的新组合；组合4、组合5、组合7、组合8、组合9、组合16、组合17、组合19、组合35、组合38、组合39、苏玉糯5(对照)等12个组合的第2主成分值(果穗重量因子)较其他组合大，说明其鲜果穗和干果穗均较重；组合1、组合7、组合14、组合16、组合20、组合22、组合24、组合28、组合33、组合35、组合39、组合48等12个组合的第3主成分值(外观品质因子)较其他组合大，说明其感官品质和色泽较好；组合1、组合4、组合6、组合16、组合21、组合27、组合28、组合37、组合42、组合49等10个组合的第4主成分值(穗部性状因子)较其他组合大，说明其穗部行数较多、穗长较长；组合13、组合19、组合11、苏玉糯5号(对照)、组合33、组合42、组合14、组合26、组合9、组合37、组合4等11个组合的第5主成分值(蒸煮品质因子)较其他组合大，说明其鲜食柔嫩性、糯性、气味风味较好。

从第2主成分和第1主成分二维排序图可以看出，在供试组合中，组合9、组合35、组合38在果穗重量和籽粒产量方面兼顾得最好(图1-A)，其中组合9在蒸煮品质方面表现也较好(图1-D)，组合35在外观品质方面也表现较好(图1-B)；从第2主成分和第3主成分的二维排序图可以看出，组合7、组合16、组合35、组合39在果穗重量和外观品质方面表现较好(图1-B)，其中组合16在穗部性状表现也较好(图1-C)；从第2主成分和第4主成分的二维排序图可以看出，组合4、组合16在果穗重量和穗部性状方面表现最好(图1-C)，其中组合4在蒸煮品质方面表现也较好，组合16在外观品质方面表现也较好；从第2主成分和第5主成分的二维排序图可以看出，组合4、组合9、苏玉糯5号、组合19在果穗重量和蒸煮品质方面表现最好(图1-D)，其中组合4在穗部性状表现也较好(图1-C)。综合以上结果可知，SW2·TH×81301F(组合4)、SS401·SW2×NF·RF(组合9)、W10·T2·361·TH·SW1×81301M(组合16)、J2F·白糯甜双隐×W10·W361(组合35)表现较好，为苗头组合。

图1 50个甜糯玉米组合(品种)第2主成分与第1(A)、3(B)、4(C)、5(D)主成分二维排序图

2.4 系统聚类分析

50个甜糯玉米新组合(品种)系统聚类结果如图2。当横切线取值D=8.78时可把50个新组合(品种)分成4类，即由组合5、组合31、组合39组成的第Ⅰ类群，由11个新组合和苏玉糯5号(对照)组成的第Ⅱ类群，由31个组合组成的第Ⅲ类群，由组合4、组合10、组合17、组合20组成的第Ⅳ类群，显示出组合(品种)之间的基因型差异。由图2可以看出当横切线取值D=7.09时，第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类群又可分别分为2个亚类群。

第Ⅰ类群由组合5、组合31、组合39组成，除色泽外，其他性状均优于对照(表5)，其中小区鲜穗产量、小区干穗重、穗粒重、百粒重、穗长、行粒数、感官品质、气味风味、糯性、柔嫩性分别比对照高23.81%、10.85%、13.42%、14.83%、12.37%、19.26%、22.17%、6.81%、6.19%、20.25%，这一类群产量和品质综合性状明显优于其他类群，是产量和品质均较好的优异甜糯玉米组合。第Ⅱ-1亚类群包含5个组合，与对照相比，其小区干穗重、穗粒重分别下降7.12%、4.05%，而出籽率、百粒重、糯性、柔嫩性分别增加4.29%、9.65%、6.00%、17.00%，这一亚类群产量性状有所下降，品质有所提高；第Ⅱ-2亚类群包括7个组合，与对照相比，其小区鲜穗产量、百粒重、穗长、秃尖长、感官品质、气味风味、色泽、糯性、柔嫩性、皮薄厚分别增加14.29%、29.97%、11.40%、19.70%、21.26%、7.94%、9.50%、7.94%、21.63%、5.69%，该亚类群的品质性状明显优于其他类群。第Ⅲ-1亚类群包含17个组合，其小区干穗重、穗粒重分别下降17.79%、18.73%，而感官品质、气味风味、色泽、糯性、柔嫩性、皮薄厚得分分别比对照增加20.70%、6.88%、5.00%、8.38%、21.88%、6.06%，说明该亚类群虽然产量性状有所下降，但品质性状较好；第Ⅲ-2亚类群包含14个组合，其与对照相比，小区的干穗重、穗粒重、行数分别下降11.92%、11.14%、7.57%，而百粒重、穗长、行粒数、感官品质、气味风味、色泽、糯性、柔嫩度、皮薄厚得分分别增加11.80%、8.10%、14.08%、19.52%、6.44%、3.17%、7.38%、20.75%、5.13%，说明该亚类群虽然产量性状有所下降，但品质性状较好，与Ⅲ-1亚类群相似。第Ⅳ-1亚类群只包含组合10，该组合除在百粒重、行粒数、感官品质、柔嫩性方面比对照有所增加外，其他产量和品质性状均下降，说明该组合在产量和品质综合方面表现不佳；第Ⅳ-2亚类群包含3个组合，这3个组合除在果穗含水量、百粒重、穗长、秃尖长、行粒数、感官品质方面比对照增加外，其他产量和品质性状均明显下降，说明该亚类群产量和品质性状表现较差。

图2 系统聚类图

表5 50份甜糯玉米组合聚类群及其性状特征

3 结论与讨论

甜糯玉米因风味独特、含糖量高、适口性好而备受广大消费者的青睐[2,7]，因此在玉米育种过程中如何准确鉴定品质较优的甜糯玉米新组合显得尤为重要。为了较为客观准确地鉴定和评价甜糯玉米新组合(品种)，本研究选用果穗产量、粒重、穗型、感官品质、蒸煮品质5个方面共16个相关性状进行综合评价。在玉米育种过程中，测试了较多的数量性状，在众多性状选择时往往会考虑不周全，给综合评价玉米育种工作带来一定困难。多元统计分析方法主成分分析是指在很少损失原有信息的前提下，将原来个数较多而且彼此相关的变量转换为新的个数较少而彼此独立或不相关的综合变量，这种降维的思想为综合评价提供了有力的理论依据和技术支持[8-10]。本研究把16个性状转换为5个主成分(粒重因子、果穗重量因子、外观品质因子、穗部性状因子、蒸煮品质因子)，这5个主成分均为相互独立的构成因子，能解释全部变异的89.42%。通过主成分分析可以了解供试组合产量、品质性状主成分构成因子及其特征和生物学意义，为新组合的客观评价和新品种的选育提供科学直观的参考依据[5]。本研究对5个主成分二维排序分析结果表明，组合9、组合35、组合38在果穗重量和籽粒产量方面兼顾最好，其中组合9在蒸煮品质方面表现也较好，组合35在外观品质方面也表现较好；从第2主成分和第3主成分的二维排序图可以看出，组合7、组合16、组合35、组合39在果穗重量和外观品质上表现较好，其中组合16在穗部性状上表现也较好；从第2主成分和第5主成分的二维排序图可以看出，组合4、组合9、苏玉糯5号、组合19在果穗重量和蒸煮品质方面表现最好，其中组合4在穗部性状上表现也较好。

系统聚类分析既可以揭示品种类群间的遗传差异，又可以了解类群内品种的遗传相似性[3]。本研究表明：系统聚类可较客观地根据基因型遗传差异和相似性的特点，将供试50份甜糯玉米组合(品种)分成4个大类群，揭示出4个类群间的遗传差异性。通过类群间的比较可知，类群I和II在产量和品质方面均优于其他类群，具有较大的育种潜力。通过5个主成分二维排序筛选出的9个优异组合中，大部分组合处于类群I和类群II(组合39属于类群I，组合7、组合9、组合16、组合19、组合35、组合38、组合50属于第II类群)，这也同时验证了系统聚类分析结果的正确性。

采用主成分分析的方法研究不同甜糯玉米的产量和品质变化，可以找到引起产量和品质变化的主要性状，这一方法有助于理解各性状指标对优异品种的贡献，有助于甜糯玉米育种过程中对目标性状的选择。采用聚类分析的方法可以对甜糯玉米的产量和品质各组分数据进行处理，可以表征和区分不同组合，在甜糯玉米育种方面具有较大的参考价值。