基于相关性、主成分、聚类、灰色关联度对甜玉米品种的农艺性状综合评价

蒋皖倩, 李友心, 洪自强, 程昕昕

(安徽科技学院 农学院,安徽 凤阳 233100)

甜玉米属玉米属(ZeamayL.)的一个亚种,因其鲜果穗乳熟期籽粒营养丰富、风味优良,深受消费者喜爱,因此也有“水果玉米”的美称[1]。近年来,由于市场需求的提高,筛选出高产和优质的甜玉米品种已成为育种的主要目标之一[2]。而关于甜玉米品质的综合评价是需要考虑多个性状间的相互协调和对农艺性状及产量性状进行兼顾和提高[3]。

甜玉米品质及主要农艺性状受数量性状控制[4]。目前有关作物品质综合评价主要采用相关性分析法、主成分分析法、聚类分析法及灰色关联度分析法等[4-8]。李晔等[9]通过相关性研究发现玉米穗行数和穗粗、轴粗呈显著正相关,行粒数与穗长相关性极高,且与总叶片数、株高、穗位高和吐丝期等均呈显著正相关。张振良等[6]通过主成分分析得出50份鲜食甜糯玉米品种前5个主成分(粒重构成因子、果穗重量因子、外观品质因子、穗部性状因子、蒸煮品质因子)的累计贡献率为89.42%,并将50份甜糯玉米聚4类,第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类群又可分别分为2个亚类群。王俊花等[4]通过灰色关联筛选出综合排名前10的甜玉米杂交组合。目前,有关甜玉米农艺性状进行相关性分析法、主成分分析法、聚类分析法以及灰色关联度分析综合评价的研究方法鲜有报道。为此,本研究主要采用相关性分析法、主成分分析法、聚类分析法以及灰色关联度分析法对13个甜玉米品种的株高、穗位高、百粒重、穗籽粒重、穗轴重轴粗、穗长、秃尖长、穗行数、行粒数、穗粗等11项指标进行综合评价,为筛选优良甜玉米品种提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 参试甜玉米

本试验选取的13个甜玉米品种均由安徽省玉米育种工程技术研究中心提供,分别为凤甜8号、凤甜188、粤甜16(CK)、浙甜19、桂甜612、维甜1号、创甜20号、沪甜21、仲甜10号、沪甜12、浙泰甜912、新美甜814、清泰甜6号,与粤甜16(CK)进行比较试验。

1.2 试验设计

试验材料于2021年4月23日在安徽省滁州市凤阳县雷达山(安徽科技学院种植基地)进行播种,地势平整,海拔为80 m,无前茬作物,5月15日进行定苗。采用随机区组设计,每小区面积为6 m×4 m,行数6行,收中间4行计产,密度为52 500株/hm2,按照常规大田进行管理。在玉米吐丝前选择6株表现一致的代表性植株进行挂牌套袋,等到果穗吐丝完全后再进行自交。

1.3 农艺及产量性状的测定

授粉后21 d每小区随机取10株甜玉米进行测定,主要包括株高、穗位高、鲜百粒重、穗籽粒重、穗轴重、轴粗、穗长、秃尖长、穗行数、行粒数、穗粗等性状[10-13]。

1.4 数据处理

采用Excel 2019软件进行数据处理和灰色关联分析;采用DPS 6.05进行单因素方差分析;采用SPSS 26.0进行聚类分析、主成分分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 表型性状变异分析

由表1可知,参试甜玉米品种的农艺性状差异较大,变异系数范围为0.07%～83.09%,其中,秃尖的变异系数最大,为83.09%;穗位高、鲜百粒重、鲜籽粒重、穗轴重、轴粗和行粒数的变异系数处于12.95%～25.51%;株高、穗长、穗行数和穗粗的变异系数较小,分别为8.45%、7.52%、9.81%和0.07%。可见,秃尖长选育潜力最大,穗粗选育潜力最小。

表1 13个参试甜玉米品种的性状变异分析Table 1 Analysis of character variation of 13 sweet maize cultivars

2.2 相关性分析

相关性分析(表2)表明,13个甜玉米品种的株高和穗位高呈极显著正相关;穗位高和穗长呈显著正相关;鲜百粒重与穗籽粒重、穗轴重呈显著正相关;穗籽粒重和穗轴重呈极显著正相关,与穗粗呈显著正相关;穗轴重与轴粗、穗粗呈显著正相关。

表2 13个参试甜玉米品种农艺性状相关性分析Table 2 Correlation analysis of agronomic traits of 13 sweet corn varieties tested

2.3 主成分分析

对参试甜玉米品种的11个农艺性状指标进行主成分分析,根据累计贡献率≥85.00%具有代表性原则,提取前5个主成分,累计贡献率为89.68%(表3),可代表11个农艺性状所反映的遗传信息。第1主成分特征值为4.055 1,贡献率为36.86%,权重系数最大,说明其综合原有变量的能力最强。其中,株高、穗籽粒重、穗粗和穗轴重权重系数均较大,尤其以穗籽粒重为最大,因此,第1主成分可做综合为产量因子,是参试甜玉米评判的主要指标。第2主成分特征值为2.115 8,贡献率为19.23%,行粒数权重系数最大,穗轴重次之,因此第2主成分为行粒数因子。行粒数是影响甜玉米单穗产量和外观的重要影响因子之一。第3主成分特征值为1.453 3,贡献率为13.21%,穗位高权重系数最大,为0.461 0,因此第3主成分为穗位高因子。第4主成分特征值为1.726 3,贡献率为11.60%,秃尖长及穗行数权重系数较大,因此第4主成分为外观因子。第5主成分特征值为0.964 5,贡献率为8.77%,秃尖长权重系数最大,因此第5主成分为秃尖长因子,秃尖长是影响单穗产量和外观的重要因子之一,所以选育鲜食甜玉米尽量要求秃尖长小。前5个主成分函数表达式：

表3 13个参试甜玉米品种的11个性状指标在各主成分中的权重系数Table 3 Weighting coefficients of 11 personality traits in each principal component of 13 tested sweet corn varieties

Y1=0.173 7X1+0.155 6X2+0.168 4X3+0.189 4X4+0.175 8X5+0.147 3X6+

0.105 0X7-0.049 4X8+0.099 4X9+0.028 7X10+0.180 8X11

(1)

Y2=-0.255 8X1+0.358 6X2+0.282 1X3-0.283 5X4+0.358 6X5+0.190 5X6-

0.447 6X7+0.178 0X8-0.302 6X9+0.312 5X10+0.190 5X11

(2)

Y3=-0.197 7X1+0.186 7X2-0.022 7X3+0.154 8X4+0.186 7X5-0.188 9X6+

0.205 7X7-0.069 5X8+0.286 2X9+0.461 9X10-0.188 9X11

(3)

Y4=-0.067 9X1-0.013 8X2+0.070 3X3+0.141 4X4+0.074 1X5-0.363 7X6+

0.259 9X7+0.450 6X8+0.313 8X9+0.151 9X10-0.136 7X11

(4)

Y5=0.266 9X1-0.118 6X2+0.261 9X3-0.117 0X4-0.026 3X5+0.182 5X6-

0.146 8X7+0.540 5X8-0.131 5X9-0.530 4X10-0.000 1X11

(5)

分别以5个主成分的贡献率为权重,构建主成分综合评价模型公式：F=0.369Y1+0.192Y2+0.132Y3+0.116Y4+0.087Y5,其中F为样本综合得分。

参试甜玉米品种综合得分如表4所示。13个甜玉米品种综合得分存在明显差异,粤甜16(CK)排名第12位,创甜20号排名第1,依次为浙甜19、新美甜814、沪甜21、清泰甜6号、凤甜188、沪甜12、桂甜612、凤甜8号、仲甜10号、浙泰甜921,说明这11份甜玉米综合性状较大、育种价值高、生产潜力大。

表4 13个参试甜玉米品种综合得分及排序Table 4 Comprehensive score and ranking of 13 sweet corn varieties tested

2.4 聚类分析

由图1可知,所有参试甜玉米品种可聚成2大类群(I和Ⅱ类群),第I类群又可聚类为2个亚类群。各类群主要平均值见表5。

图1 13个参试甜玉米品种的系统聚类分析结果Fig.1 The results of systematic cluster analysis of 13 sweet corn varieties tested

表5 13个参试甜玉米品种类群性状Table 5 Cluster traits of 13 tested sweet corn varieties

第I-1类群主要包括凤甜8号、仲甜10号、维甜1号、桂甜612、凤甜188、粤甜16、浙泰甜921等7个甜玉米品种,该类群株高、穗位高、鲜籽粒重、鲜籽粒重等农艺性状指标较低;第I-2类群包含新美甜814、清泰甜6号、沪甜12、沪甜21等4个甜玉米品种,该类群轴粗、穗粗指标值最大;第Ⅱ类群包括浙甜19和创甜20号2个甜玉米品种,该类群株高、穗位高、鲜百粒重、穗籽粒重、穗长、穗行数等农艺指标数值均为最高。因此,第I-1类群农艺性状较差;第I-2类群农艺性状表型中等水平;第Ⅱ类群的甜玉米在株高、穗籽粒重、穗百粒重等一系列指标都表现出较高水平;综上,第I-2类和第Ⅱ类群具有较大的研究价值。

2.5 灰色关联度分析

以参试甜玉米品种的11个性状的最大值建立参考品种,参考品种的基本性状为株高280.33 cm、穗位高135.00 cm、鲜百粒重43.64 g、穗籽粒重318.86 g、穗轴重131.47 g、轴粗3.51 cm、穗长23.63 cm、秃尖长4.37 cm、穗行数20.67行、行粒数47.33粒、穗粗5.57 cm,数据无量纲处理后,用加权平均法计算参试甜玉米品种的加权关联度,如表6所示。基于灰色系统理论的关联度分析原则,关联度越大,则与参考品种越接近,说明质量越高,反之则低[4],参考品种的关联度结果表明,创甜20号、浙甜19、新美甜814、清泰甜6号、沪甜21、凤甜188、沪甜12、凤甜8号、桂甜612、仲甜10号和浙泰甜921等11个甜玉米品种均高于粤甜16。综上,这11个甜玉米品种与参考品种较为接近,综合性状表现较为优良。

表6 13个参试甜玉米品种关联度及排序Table 6 Correlation degree and ranking of 13 sweet corn varieties tested

3 结论与讨论

农艺性状是评判作物优劣的重要指标,相关性研究发现,鲜百粒重与穗籽粒重、穗轴重呈显著正相关,穗籽粒重和穗轴重呈极显著正相关,与穗粗呈显著正相关,这与裴志超等[11]和张正等[14]研究结果相似。主成分分析法是在极少损失原有信息的前提下,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[4,10-15]。本试验利用主成分分析法将11个性状转化为5个主成分(产量因子、行粒数因子、穗位高因子、外观因子、秃尖长因子),其累计贡献率达到了89.68%,这与魏常敏等[16]和王俊花等[4]研究结果相似。由主成分分析法得出,浙甜19、创甜20号、清泰甜6号、凤甜188、沪甜12、凤甜8号、浙泰甜921、沪甜21、桂甜612、仲甜10号等11个甜玉米品种均优于对照。

聚类分析法是依据研究对象特征进行分类[17],聚类分析法将参试甜玉米品种分为2大类,第Ⅱ类群又可聚成2个亚类群。其中浙甜19、创甜20号、清泰甜6号、新美甜814、沪甜12、沪甜21处于I-2和Ⅱ类群。灰色关联度分析法因其计算量少又十分方便等优点,因此在筛选农作物等方面得到广泛应用[18-20],通过灰色关联分析法筛选出创甜20号、浙甜19、新美甜814、清泰甜6号、沪甜21、凤甜188、沪甜12、凤甜8号、桂甜612、仲甜10号和浙泰甜921等11个甜玉米品种表现优于对照品种。

因此,基于相关性分析法、主成分分析法、聚类分析法以及灰色关联度分析法研究发现,创甜20号、浙甜19、新美甜814、清泰甜6号、凤甜188、凤甜8号、沪甜21、桂甜612、仲甜10号、沪甜12以及浙泰甜921等11个甜玉米品种均优于对照,可进一步进行比较试验。