基于多元统计分析的甘蔗新品系适应性评价

郭强　莫建文　江清梅　何洪良　马文清　莫勇武　唐利球

关键词：甘蔗；新品系；主成分分析；聚类分析；适应性

中图分类号：S566.1 文献标识码：A

甘蔗品种或品系的综合评价是育种工作的重要环节[1]。广西作为我国最大的糖料蔗生产基地，蔗糖产量占全国蔗糖总产量的68%以上[2]；主栽品种以桂糖42 号和柳城05136 为主，品种结构相对单一，经过多年的栽培种植，桂糖42 号和柳城05136 均出现了种性退化的现象，黑穗病发病率高、宿根发株率低、缺株断垄、产量下降等缺点逐渐显现出来[3]，这将严重威胁到广西蔗糖产业的发展。为解决甘蔗品种更新换代问题，需不断地选育出高产高糖、抗逆性强、宿根性好的甘蔗新品种，并进行适应性评价，筛选出适应不同种植区域的甘蔗优良品种，逐步取代种性退化的主栽品种。

近年来，国内自育的甘蔗新品种越来越多，为及时筛选出适应性较好的甘蔗新品种，专家学者进行了大量的区域试验，同时也筛选出了一些综合表现较好的甘蔗新品种。梁强等[4] 于2012—2013 年选取13 个甘蔗新品系进行广西区域试验，发现桂糖04-1545、柳糖07-95、桂糖05-1141 和桂糖04-1045 等4 个品系综合表现较好。李佳慧等[5]于2016—2017 年在广西防城港对9 个甘蔗新品系进行区域比较试验，初步表明桂热2 号、柳城05136 和桂糖46 号在防城港蔗区表现良好。郭强等[6]于2017—2020 年在崇左蔗区引进10 个甘蔗品系进行区域试验，结果发现桂糖09-563、桂糖08-591、SP80-3280、桂糖09-3990 和桂糖08-1045 等5 个品系综合表现较好。王小明等[7]在来宾蔗区对5 个优良新品种采取小区试验与大田示范相结合的评价方法，筛选出了桂柳05136、福农41 号和桂糖49 号等3 个表现优良的甘蔗新品种。孙玉勇等[8] 利用DTOOSIS 法对9 个甘蔗新品种进行综合评价，结果发现福农1110、柳城03-1137、粤甘39 号、桂糖32 号、云蔗05-49、粤甘42 号和桂糖31 号等7 个新品种综合表现优良，可在桂北地区进一步示范推广。

作物优良品种综合评价方法很多，研究人员利用主成分分析和聚类分析等多元统计分析方法对多种作物[9-11]进行了综合评价，应用于甘蔗综合评价方面也有相关报道。赵勇等[12]利用主成分分析和聚类分析对86 份甘蔗种质资源工艺性状進行了评价；周会等[13]利用主成分分析和聚类分析对桂糖系列甘蔗种质资源数量性状进行了评价；蒋洪涛等[14]利用主成分分析和聚类分析等多元统计分析方法对甘蔗新品系的抗旱性进行了评价。本研究利用主成分分析和聚类分析等多元统计分析方法对29 个甘蔗新品系的株高、茎径、有效茎数、单茎重、蔗茎产量、黑穗病率、蔗糖分、蔗汁重力纯度、纤维份和产糖量等10 个性状指标进行综合评价，以期筛选出综合性状表现优良的甘蔗新品系，为下一步进行区域试验和大田示范提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

参试甘蔗品系共29 个，其中广西壮族自治区农业科学院甘蔗研究所选育品系22 个（桂糖13-1154、桂糖12-228、桂糖13-1044、桂糖12-284、桂糖16-1136、桂糖17-234、桂糖16-151、桂糖16-384、桂糖17-634、桂糖16-5331、桂糖15-496、桂糖17-910、桂糖15-516、桂糖15-1074、桂糖17-929、桂糖17-1259、桂糖14-818、桂糖15-1131、桂糖17-232、桂糖16-5274、桂糖16-1232、桂糖16-354）；柳州市农业科学研究所选育品系1 个（柳糖16-276）；河池市农业科学研究所选育品系3个（河糖14-4、河糖14-8、河糖15-5）；百色市农业科学研究所选育品系2 个（百蔗15-704、百蔗15-869）；广西南亚热带农业科学研究所选育品系1 个（桂南蔗151505）。以桂糖42 号和新台糖22 号为对照。

1.2 方法

1.2.1 试验设计试验采用随机区组设计，3 次重复，6 行小区，行距1.2 m，行长8 m，小区面积57.6 m2，四周设保护行，重复间走道宽1.5 m，下种量为100 000 芽/hm2，双芽段蔗种，双行“品”

字形摆放。试验于2021 年3 月种植，田间管理按当地种植管理方法进行。

1.2.2 测定项目病害调查：2021 年10 月进行黑穗病的调查，每小区选取第3 行调查全部植株数和发病植株数；农艺性状测定：甘蔗成熟期每个小区选取连续15 株甘蔗进行单茎重、株高和茎径的测量，调查小区有效茎数和产量；工艺性状测定：2021 年11 月至次年1 月取样化验分析糖分，每个品系选取6 株健康甘蔗，采用二次旋光法测定甘蔗糖分、重力纯度和纤维分。

1.3 数据处理

采用 Excel 2010 软件进行原始数据整理，利用SSPS 20.0 软件进行相关性分析、主成分分析、聚类分析和判别分析。

2 结果与分析

2.1 参试材料性状的变异情况及相关性分析

调查表明（表1），31 个甘蔗品种（系）的性状差异明显，变异系数在3.52%～184.52%之间，其中黑穗病率变异系数最大，达到184.52%，说明黑穗病率变异程度非常大；其次是蔗茎产量、产糖量、有效茎数和单茎重，变异系数分别为19.92%、19.55%、17.89%、14.49%，变异程度也比较大；其他5 个性状变异系数均小于10%，说明这5 个性状变异程度较低。

10个性状的相关性分析结果（表2）表明，株高与单茎重和产糖量呈显著正相关，与蔗茎产量呈极显著正相关，说明株高越长，大多数甘蔗品种（系）单茎重、产糖量和蔗茎产量越高；茎径与单茎重呈极显著正相关，与蔗茎产量呈显著正相关，说明茎径越大，大多数甘蔗品种（系）单茎重和蔗茎产量越高；有效茎数与茎径、单茎重呈极显著负相关，说明有效茎数多的甘蔗品种，大多数茎径偏小，单茎重偏低；产糖量与蔗茎产量呈极显著正相关，与蔗糖分呈正相关，说明产糖量与蔗茎产量的相关性比与蔗糖分密切；黑穗病率与蔗茎产量、株高、茎径呈正相关，但不显著，说明黑穗病发病率对蔗茎产量、株高和茎径影响不大，与蔗糖分和蔗汁重力纯度呈极显著负相关，说明黑穗病发病率越高，大多数甘蔗品种（系）蔗糖分和蔗汁重力纯度明显下降，说明黑穗病发病程度严重影响到甘蔗的品质；蔗糖分与蔗汁重力纯度呈极显著正相关，说明蔗糖分越高，蔗汁重力纯度也越高。

2.2 参试材料性状的主成分分析

以特征值大于1.0 为标准提取主成分结果表明（表3），10 个性状指标的主要信息集中在前4个主成分中，累计贡献率达到85.019%，说明这4个主成分基本可以代表原始变量的大部分信息。第1 主成分的特征值为3.212，方差贡献率为32.118%，作用较大的性状包括蔗茎产量（0.698）、茎径（0.685）、单茎重（0.681）、株高（0.657）、蔗汁重力纯度（-0.623）、蔗糖分（-0.607）和黑穗病率（0.569），主要反映产量-品质-病害性状，其中蔗糖分和蔗汁重力纯度的特征向量值为负值，说明植株高大、产量较高、黑穗病发病较严重的品种，甘蔗品质往往较差，蔗糖分和蔗汁重力纯度偏低；第2 主成分的特征值为2.209，方差贡献率为22.092%，作用较大的性状包括产糖量（0.872）、蔗茎产量（0.682）、有效茎数（0.640），主要反映产糖量-产量性状；第3 主成分的特征值为1.875，方差贡献率为18.746%，作用较大的性状包括蔗糖分（ 0.628 ）、蔗汁重力纯度（0.595）、单茎重（0.556）和茎径（0.550），主要反映品质-茎径性状；第4 主成分的特征值为1.206，方差贡献率为12.063%，作用较大的性状是纤维分（0.915），主要反映纤维分性状。

2.3 参试材料性状的聚类与判别分析

依据主成分分析结果采用欧氏距离、离差平方和法进行系统聚类，欧氏距离为8 处可将31 个甘蔗品种（系）划分为5 个类群（图1），同时计算各类群各性状的平均值（表4）。第Ⅰ类群包括6 个甘蔗品系，该类群属于矮小品种，农艺性状表现较差，蔗茎产量较低，黑穗病发病率较低，蔗糖分、蔗汁重力纯度和纤维分最高，品质性状最好，产糖量较高。第Ⅱ类群包括10 个甘蔗品系，属于矮小品种，农艺性状表现最差，蔗茎产量中等，黑穗病发病率中等，蔗糖分较低，品质性状较差，产糖量较低。第Ⅲ类群包括5 个甘蔗品系，属于中大茎品种，蔗茎产量最高，农艺性状较好，黑穗病发病率最低，蔗糖分较高，品质性状较好，产糖量最高。第Ⅳ类群包括4 个甘蔗品系，属于中大茎品种，农艺性状表现较好，蔗茎产量较高，但黑穗病发病率最高，蔗糖分最低，品质性状最差，产糖量中等。第Ⅴ类群包括6 个甘蔗品系，属于中大茎品种，农艺性状表现较好，蔗茎产量最低，黑穗病发病率中等，蔗糖分中等，品质性状中等，产糖量最低。

为了鉴别聚类结果可靠性，采用多类逐步判别法对其进行判别。结果表明（表5），各类群判对概率均为100%，证明聚类结果正确。

3 讨论

本研究采用多元统计分析方法对29 个甘蔗新品系进行适应性综合评价。通过分析各指标的变异程度发现，黑穗病的变异系数最大，据郭强等[3]研究报道表明，大多数甘蔗品种新植蔗黑穗病发病率比较低，但也有少部分高感黑穗病的甘蔗品种新植蔗发病同样非常严重[15]，本研究中大部分品系黑穗病發病率均比较低，有7 个品系不发病，但也有少数几个品系发病率在30%以上，最高的甚至达到42.53%，证明黑穗病变化的多样性来源于品种间的差异，导致了黑穗病发病率的变异程度比较大；其次是蔗茎产量、产糖量、有效茎数和单茎重变异程度也比较大。相关性分析结果表明，蔗茎产量与株高、产糖量呈极显著正相关；黑穗病率与蔗茎产量、株高、茎径呈正相关，与蔗糖分和蔗汁重力纯度呈极显著负相关，据杨荣仲等[16]研究结果表明，黑穗病的发生与甘蔗株高、茎径、单茎重、蔗茎产量等无显著相关性，对甘蔗产量无显著影响，这与本研究结果一致，造成这一结果主要是由于黑穗病发病集中于下半年，此时甘蔗逐步开始进入工艺成熟阶段，而且大多数黑穗病鞭从侧芽长出，这对甘蔗株高、茎径、产量影响不大，但会对蔗糖分的转化造成严重影响，因此黑穗病发病严重的甘蔗品种，蔗糖分和蔗汁重力纯度比较低。主成分分析法是通过降维的方式，将作物各性状间复杂的关系转化为较少的几个主成分，既能排除原指标间相关关系的干扰，又能把握其综合性状的表现，更具科学性[17]。本研究将10 个性状指标进行主成分分析，得出前4 个主成分累计贡献率达到85.019%，其中第 1 主成分与产量-品质-病害性状有关，第2主成分与产糖量-产量性状有关，第3 主成分与品质-茎径性状有关，第4 主成分与纤维份有关。最后通过系统聚类分析法将31 个甘蔗品系分为5个类群，第Ⅰ类群黑穗病发病率较低，蔗糖分、蔗汁重力纯度和纤维分最高，品质性状最好，产糖量较高；第Ⅱ类群农艺性状表现最差，蔗糖分较低，品质性状较差，产糖量较低；第Ⅲ类群蔗茎产量最高，农艺性状较好，黑穗病发病率最低，蔗糖分较高，品质性状较好，产糖量最高；第Ⅳ类群农艺性状表现较好，蔗茎产量较高，但黑穗病发病率最高，蔗糖分最低，品质性状最差，产糖量中等；第Ⅴ类群农艺性状表现较好，蔗茎产量最低，黑穗病发病率中等，蔗糖分中等，品质性状中等，产糖量最低。甘蔗选育种的重要目标是要选育出具有高产、高糖、抗逆性强等特征的新品种，但在实际生产中，很少有甘蔗品种同时具备高产高糖、抗逆性强的特征[4]。因此，根据聚类分析结果初步筛选出综合表现优良的第Ⅲ类群中的5 个品系，包括桂南蔗151505、桂糖17-232、桂糖13-1154、桂糖17-929、桂糖16-151，为下一步进行区域试验和大田示范做准备。针对第Ⅰ类群中的6 个品系，包括河糖15-5、桂糖15-1074、桂糖15-1131、桂糖13-1044、桂糖12-284和桂糖17-910 等，蔗糖分最高，黑穗病发病率低，但蔗茎产量较低，不利于推广种植，因此可作为高糖、抗黑穗病亲本加以利用。