基于投影寻踪分类法的甘蔗种质综合评价

武晋宇，应雄美，朱建荣，赵俊，刘家勇，吴才文，Ibrahim Soliman Helal ELGAMAL，赵勇

(1.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699；2.云南省甘蔗遗传改良重点实验室 云南 开远 661699)

目前，世界上甘蔗杂交育种罕有突破，甘蔗蔗糖分和产量改良效果不显著[1–3]，主要是因为种质资源受限，亲本遗传基础狭窄，育种群体遗传变异不足[4–5]。经过数代品种改良后，中国仍处于新台糖22当家的局面，蔗糖分提升不显著，严重制约了蔗糖产业的发展。为改变这一状况，云南省农业科学院甘蔗研究所加强了对美国[6]、澳大利亚[7]、泰国[8]、法国[9]、菲律宾[9]等国外种质资源的引进与利用，以拓宽亲本遗传基础。目前的研究主要集中在抗逆性评价[10–11]、宿根性评价[12–13]、遗传多样性评价[14–15]及工农艺性状评价分析[16–17]等方面。

常见评价甘蔗种质的方法主要有主成分分析法[18–19]、模糊综合评判分析法[20–21]、灰色关联度分析法[22–23]和投影寻踪分类(projection pursuit clustering, PPC)法[24]。本试验主要参考赵勇等[7]的研究，利用投影寻踪分类法对从法国和菲律宾引进的甘蔗种质资源进行工农艺性状评价，挖掘优异种质，以期为中国甘蔗种质创新提供参考，同时也为甘蔗种质资源评价探索新的方法。

1 材料与方法

1.1 材料

供试甘蔗种质资源共 40份，其中菲律宾种质22份(PHIL型6份、VMC–型16份)，法国种质18份(FR–型)。

1.2 试验设计

试验在云南省农业科学院甘蔗研究所育种基地进行。基地海拔高度1 051.8 m，属亚热带高原季风气候，光照资源充足，年日照时数2 382 h，年均气温20 ℃，年均降水量771.1 mm。2016年12月29日进行田间试验(新植)。随机区组设计。3次重复。2行区，行长4.0 m，行距1.1 m。每行下种芽14个，四周设保护行。试验地为水田。试验地管理同大田生产。

1.3 工农艺性状指标调查

农艺性状调查：2017年11月中旬，对40份种质开展农艺性状指标调查。采用标尺测量株高，采用游标卡尺测量茎径，每个种质测量5株。根据每米实际成茎数统计有效茎。各个种质随机检测6条蔗茎，测量单茎质量，每个重复2条。

品质性状检测：2017年11月至2018年3月，参考LIU等[25]的方法检测40份种质的甘蔗锤度、甘蔗蔗糖分、蔗汁蔗糖分、甘蔗简纯度和甘蔗纤维分。每个种质每次随机检测6条蔗茎，每个重复2条。每月每个重复检测1次，共检测5个月。

1.4 数据分析

运用Excel 2013对数据进行整理，其中，工艺性状指标因数据全部为百分数，采用ASIN函数对数据进行反正弦转化后再进行统计分析；采用DPS统计分析软件对各种质工农艺性状指标进行方差分析和基本参数估计；运用投影寻踪分类法[7]对40份种质资源进行投影方向和投影值大小分析；基于投影值的聚类分析对各种质进行分类评价，以筛选优异种质。

2 结果与分析

2.1 各种质主要工农艺性状差异分析

对40份种质9个主要工农艺性状指标进行方差分析。结果(表1)表明，除株高和有效茎外，其他性状指标均存在极显著差异(P<0.01)，变异系数介于 5.68%~51.55%，说明各种质间差异较大，故需要进一步对各种质进行评价和筛选。

表1 40份甘蔗种质的主要工农艺性状Table 1 The main agronomic characters of 40 sugarcane germplasms

2.2 投影寻踪分类法评价分析

2.2.1 投影方向分析

利用DPS统计分析软件对40份供试种质的主要工农艺性状(均值)进行投影寻踪分类法分析，得到各性状的投影方向(图1)。基于PPC法原理，各指标投影方向的大小实际上反映了该指标对种质综合评价的影响程度。从图1可见，甘蔗蔗糖分、锤度、蔗汁蔗糖分和简纯度等工艺性状指标投影方向较高，对种质综合评价的影响较大；其后依次为单茎质量、茎径、纤维分；株高和有效茎投影方向较低。

图1 甘蔗主要工农艺性状的投影方向Fig.1 Projection direction of main agronomic characters of sugarcane

2.2.2 投影值计算

确定投影方向后，基于主要工农艺性状的投影寻踪分析，得到各甘蔗种质资源的投影值(图2)。投影值越大，种质综合性状表现越好。从图2可以看出，40份甘蔗种质投影值介于 0.0~2.5，各种质投影值大小差异显著。

图2 40份甘蔗种质的投影值Fig.2 The projection values on 40 sugarcane germplasm

2.2.3 基于聚类分析对40份种质进行分类

基于供试种质投影值的大小，采用欧氏距离–可变类平法对40份种质进行聚类分析。结果(图3)表明，在1.15~2.31的距离上可把40份种质分为5类，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类群分别有种质7、8、13、5、7份。

图3 基于投影值的40份甘蔗种质聚类分析结果Fig.3 The cluster analysis result of 40 sugarcane germplasm based on projection value

进一步对各类群投影值进行分析，结果(表2)表明，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类群投影均值分别为1.56、1.26、1.75、2.00、0.60，且类群间存在极显著差异(P<0.01)。其中第Ⅳ类群投影均值最高，最大为2.13，最小为1.93。5个类群投影值变异系数为1.66%~37.55%。

表2 类群投影值均值及变异系数Table 2 The projection mean value and variation coefficient of various groups

2.3 优良种质的筛选

根据投影寻踪原理，投影值越大，其综合性状越好。从供试种质的综合投影值的聚类结果来看，第Ⅳ类群(5份种质)投影均值最高。从表3可以看出，5份种质的甘蔗蔗糖分介于14.90%~16.43%；简纯度介于86.00%~88.50%；茎径介于2.42~ 2.77；有效茎介于4.88~9.00。

表3 第Ⅳ类群种质的工农艺性状Table 3 The main agronomic characters of fine germplasms

3 结论与讨论

近年来，云南省农业科学院甘蔗研究所加强了对国外甘蔗种质的引进与评价利用。赵勇等[19]采用农艺性状分级的方法，评价了317份甘蔗种质资源，其中包含了从多个国家引进的甘蔗种质。就外引种质的栽培利用现状来看，引进种质的性状、品质差异显著，大多数种质因其表现差未被利用于甘蔗杂交。本研究中，40份从法国和菲律宾引进的种质，各种质综合性状差异显著，9个性状的均值的变异系数介于5.68%～51.55%，除株高和有效茎外，其他 7个主要工农艺性状的均值均存在极显著差异(P<0.01)。苏火生等[26]对引进的18个国外甘蔗种质进行品比，发现各品质资源的表现也各异。另外，刘家勇等[27]对 68份引进甘蔗种质的遗传多样性进行AFPL分析，发现大部分种质之间亲缘关系相近，遗传基础相似，遗传多样性并不丰富；因此，加强外国种质引进，客观评价外引种质，筛选优异种质并提供杂交利用，对甘蔗育种具有重要意义。

对 40份外引甘蔗种质进行投影寻踪分类法分析表明，投影方向以甘蔗蔗糖分最高，其后依次为甘蔗锤度、蔗汁蔗糖分、甘蔗简纯度、单茎质量和茎径等，株高和有效茎的较低。甘蔗蔗糖分是甘蔗品种改良最主要的参考指标；因此，确定甘蔗蔗糖分等工艺性状为最优投影方向是合理的。另外，株高和有效茎的投影方向较低，说明了投影寻踪分类法可较好地体现各性状指标的权重分配。本试验中，基于投影寻踪分类法得到了各种质的投影值，通过聚类分析筛选了 5份优良种质(第Ⅳ类群)，其中，法国种质2份(FR97–127和FR97–53)，菲律宾种质 3 份(VMC95–29、VMC96–169 和 VMC97–30)；且5份种质平均甘蔗蔗糖分介于14.90%~16.43%，甘蔗蔗糖分较高，可以作为高糖种质进行杂交育种利用。

综合来看，投影寻踪分类法对 40份引进甘蔗种质的评价客观、实用，可以作为大量甘蔗种质资源评价的另一途径。