雪里蕻种质资源性状的主成分分析和聚类分析

任锡亮，宋中喜，赵天荣，高天一，王 洁，孟秋峰

（1.宁波市农业科学研究院，浙江 宁波 315040；2.昌乐县农业农村局，山东 昌乐 262400）

雪里蕻俗称雪菜，属于十字花科芸薹属芥菜种分蘖芥变种。使用雪里蕻加工制成的雪菜或霉干菜味道鲜美，深受人们的喜爱。我国雪里蕻的栽培历史悠久，种质资源丰富［1］，但国内对雪里蕻种质资源的研究较少。研究种质资源的特性及对其进行分类是合理利用种质资源、选配亲本组合和提高育种效率的基础。主成分分析是一种使用广泛的数据降维方法，可将多个变量转换为少数几个不相关的综合变量，这些综合变量能够比较全面地反映原来变量的信息量，而且彼此之间互不相关，从而达到简化、突出重点的目的［2］。进行主成分分析和聚类分析对合理利用种质资源、综合评价亲本、减少杂交配组的盲目性具有重要的意义。本研究对19个雪里蕻种质资源的主要性状进行主成分分析和聚类分析，以期为雪里蕻品种资源的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

雪里蕻品种资源由宁波市农业科学研究院蔬菜研究所提供。07-1、07-2-7、07-7-2、07-12、07-16-1-3、07-29-1、08-5-6、09-3-1、10-4、11-14、11-8-5-4、12-60、12-61、13-51、15-4、15-6、16-2、16-3为性状表现稳定的高代自交系，07-50A×07-16-1-3为利用雄性不育系配制的杂交组合。

1.2 试验方法

试验于2021年在宁波市高新农业技术实验园区的露地进行，试验土壤为黏土，肥力中等。于8月19日播种，9月18日移栽大田，行株距30 cm×25 cm，每个品种小区面积为20 m2，采用随机区组设计，3次重复。田间管理同一般大田生产；采收日期为12月15日，每个小区随机取10株观察记录性状，共考查12个性状：株高(x1)、株幅(x2)、最大叶叶长(x3)、最大叶叶宽(x4)、最大叶叶柄长(x5)、最大叶叶柄宽(x6)、最大叶叶柄厚(x7)、分蘖数(x8)、最大蘖长(x9)、最大蘖粗(x10)、蘖鲜重(x11)、单株重(x12)。性状考察数据的结果取平均值。应用浙江大学研制开发的DPS数据处理系统对测量的19个雪里蕻品种的12个生物学性状进行主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

2.1.1 主要性状的主成分贡献率及累积贡献率 对19个雪里蕻品种的12个生物学性状进行主成分分析（表1），从12个特征值中取累计贡献率达85%以上的4个特征值作为主成分。由表1可知，选取的前4个主成分累计贡献率达91.0276%，代表了雪里蕻性状大部分的综合信息，而其他成分在性状分析中只发挥了8.9724%的作用。因此，选取前4个成分作为分析雪里蕻综合性状的主成分。所取得4个主成分的贡献率分别为47.6004%、25.7842%、9.1906%、8.4524%，并依次称为第1主成分、第2主成分、第3主成分和第4主成分。

表1 19个雪里蕻品种主要性状的主成分贡献率和累计贡献率

2.1.2 主要性状的特征向量 由表2可知，在第1主成分中，株高、株幅、最大叶叶长、最大叶叶柄长、最大叶叶柄宽、最大叶叶柄厚以及最大蘖长具有较大的正系数，这表明第1主成分主要反映了雪里蕻的生长势因子；在第2主成分中，最大蘖粗、蘖鲜重和单株重具有较大的正系数，这表明第2主成分主要反映了雪里蕻单株产量因子；在第3主成分中，分蘖数具有明显较大的正系数，这表明第3主成分主要反映了雪里蕻的分蘖因子；在第4主成分中，最大叶叶柄宽和最大叶叶柄厚具有较大的正系数，这表明第4主成分主要反映了雪里蕻的叶柄粗度因子。根据4个主成分的因子负荷量的大小，筛选出贡献率较大的4组性状因子即：{x1，x2，x3，x5，x6，x7，x9}、{x10，x11，x12}、{x8}、{x6，x7}。

表2 19个雪里蕻品种主要性状的特征向量

2.1.3 雪里蕻12个性状的相关系数 由表3可知，不同性状之间的相关性具有统计学意义。株高与株幅、最大叶叶长、最大叶叶宽、最大叶叶柄长、最大叶叶柄宽、最大叶叶柄厚和最大蘖长具有较强的相关性，相关系数分别为0.7851、0.7891、0.4782、0.6493、0.5980、0.5911、0.7958；株幅除了与株高相关外，还与最大叶叶长、最大蘖长、最大蘖粗、蘖鲜重和单株重具有较强的相关性，相关系数分别为0.5150、0.7330、0.5628、0.6045、0.7159；最大叶叶长除了与株高、株幅相关外，与最大叶叶宽、最大叶叶柄长、最大叶叶柄宽、最大叶叶柄厚、最大蘖长具有较强的相关性，相关系数分别为0.8219、0.8106、0.7590、0.7665、0.8161；最大叶叶宽除了与株高、最大叶叶长相关外，与最大叶叶柄的长、宽、厚均有较强的相关性，相关系数分别为0.5935、0.7536、0.7495；最大叶叶柄长除与株高、最大叶叶长、最大叶叶宽相关外，与最大叶叶柄厚、最大蘖长也具有较强的相关性，相关系数分别为0.5292、0.6193；最大叶叶柄宽除与株高、最大叶叶长、最大叶叶宽相关外，与最大叶叶柄厚、最大蘖长具有较强的相关性，相关系数分别为0.9228、0.5162；最大叶叶柄厚除与株高、最大叶叶长、最大叶叶宽、最大叶叶柄长、最大叶叶柄宽相关外，还与最大蘖长具有较强的相关性，相关系数为0.4500；分蘖数与其他性状均无较强的相关性；最大蘖长除与株高、株幅、最大叶叶长、最大叶叶柄长、最大叶叶柄宽、最大叶叶柄厚相关外，与单株重也有较强的相关性，相关系数为0.4935；最大蘖粗除与株幅相关外，还与蘖鲜重和单株重具有很强的相关性，相关系数分别为0.8071、0.7958；蘖鲜重与株幅和蘖粗相关，与单株重具有极显著相关，相关系数达0.9738；单株重与株幅、最大蘖长、最大蘖粗和蘖鲜重具有强相关性。

2.1.4 雪里蕻性状的主成分值与综合评价指数 经过对计算结果的标准化转换，得到的每个品种资源的重要主成分值（表4），可根据其主成分值选择符合育种目标的优良亲本。从表4可以看出，07-50A×07-16-1-3、13-51和12-61的生长情况和最大叶性状的综合指标较高，13-51和12-61可以作为生长势强的良种选育；07-16-1-3和07-50A×07-16-1-3单株产量综合指标较高；11-14、07-1、16-3分蘖性综合指标较高，可作为多分蘖良种选育材料；16-3和12-61叶柄粗度的综合指数较高，可用作粗梗良种选育。从综合评价指数来看，11-14、07-16-1-3、07-1、16-2是综合性状优良的亲本材料，07-50A×07-16-1-3比07-16-1-3表现出更强的杂种优势和超亲优势。

表4 19个雪里蕻品种的主成分值及综合评价指标

2.2 聚类分析

聚类分析根据分类对象的不同可分为Q型和R型两大类，Q型是对样本进行分类处理，R型是对变量进行分类处理。Q型聚类又称样品聚类，是对分类运算单位进行的分析运算，反映了不同分类单位之间的相似性和亲缘关系远近。本研究对原始数据进行规格化处理后，采用卡方距离相似尺度和离差平方和法对19个品种12个性状进行Q型聚类（图1）。聚类结果显示，在遗传距离为2.61处，19个雪里蕻品种被分为了4类：第Ⅰ类包括11-14等11个品种；07-50A×07-16-1-3和07-7-2分别单独归为第Ⅱ类和第Ⅳ类；第Ⅲ类包括07-16-1-3等6个品种。聚入第Ⅰ类的11个品种，又可分为3个亚类，第1亚类有5个品种，分别为11-14、07-2-7、07-1、15-6、15-4；第2亚类有4个品种，分别为11-8-5-4、16-2、12-60和08-5-6；第3亚类包括13-51和12-61。聚入第Ⅲ类的6个品种又分成2个亚类：第1亚类有3个品种，分别为07-16-1-3、16-3、07-12；第2亚类有3个品种，分别为10-4、07-29-1和09-3-1。

图1 聚类分析结果

3 讨论

主成分分析在水稻［3］、玉米［4］、小麦［5］、大豆［6］、花生［7］、棉花［8］、辣椒［2］、茄子［9］、花椰菜［10］、丝瓜［11］、西瓜［12］、核桃［13］、杏［14］、蟹爪兰［15］等多种作物种质资源的性状综合评价中得到了广泛的运用。本研究分析了19个雪里蕻品种的12个生物学性状，并将这12个生物学性状指标简化为生长势因子、单株产量因子、分蘖因子和叶柄粗度因子等4个主成分因子。这4个因子的累计贡献率达91.0276%，大致能反映原来12个性状的遗传特征。生长势因子和单株产量因子是主要的主成分因子，其贡献率分别为47.6004%、25.7842%。由于加工霉干菜一般需要叶柄较粗的品种，需关注叶柄粗度因子高的品种。研究性状之间的相关性发现，单株重与株幅、蘖粗和蘖鲜重的相关性差异具有统计学意义，而单株重与分蘖数基本无相关性，这与实际结果相符。对于同一品种而言，一般分蘖数越多产量越高；而不同品种之间，分蘖数多的雪里蕻品种产量不一定高。雪里蕻的单株产量主要由几个大的主要分蘖鲜重构成。在雪里蕻高产育种中，应重点关注株幅和最大蘖粗及蘖鲜重而不是分蘖数，基于主成分分析的性状综合评价能将综合性状优良的种质资源筛选出来。07-50A×07-16-1-3综合指标得分较高，这也表明雪里蕻具有较强的杂种优势。

亲本亲缘关系远近对杂交育种的影响较大，亲缘关系较远的亲本杂交后代的杂种优势强。所以，明确亲缘关系远近是杂交育种选择亲本的前提。本研究证明Q型聚类分析是一种较好的研究植物亲缘关系和分类的分析方法，可以帮助探究种质资源的遗传多样性，为培育优良品种提供参考。品种间亲缘关系越近，就能越早地聚合为同一类。本研究通过聚类分析，将供试品种分为4大类。在遗传距离比较大的分类间，结合主成分分析结果，将两个亲本进行杂交，配出优势组合的几率较大。主成分综合指标值最低的07-7-2被单独归于一类。但是07-7-2与其他品种的遗传距离较大，可结合其品质或抗病性特性进行杂种优势利用。利用生物学性状来确定雪里蕻种质资源主成分因子和亲缘关系远近具有一定的科学合理性，但这种方法所依据的数量性状仍有可能受到地理环境、气候和个体发育阶段的影响而出现结果上的偏差。因此，为更准确地了解和反映出雪里蕻种质资源的亲缘关系和遗传信息，还需从分子层面进行更加深入的研究［16］。