基于主成分分析和聚类分析的大豆高产群体性状研究

孙 影，叶 录，王凤梧，廉培勇，郑成忠，梅 雪，张子臻，王千军，徐振朋，王小明，黄文娟

（乌兰察布市农林科学研究所，内蒙古 乌兰察布 012000）

大豆作为重要的蛋白质和油脂来源之一，在我国已有2000多年的栽培历史［1］。大豆产量性状和相关农艺性状多为数量性状，容易受环境因素的影响，而且农艺性状之间还会相互影响，导致分析产量与相关农艺性状之间的关系比较困难。在特定的生态条件下，研究特定性状与产量的关系，可以直观地筛选出高产的指标性状［2］。大豆的产量受多个基因控制，在育种上很难直接选择某个性状，因此，通过选择与产量相关的农艺性状已成为作物高产育种的一个重要途径［3］。主成分分析、聚类分析与其他分析方法联合使用，在品种评价、分类、选育、建立理想的高产株型方面均有独特的优势［4-7］。

目前，关于大豆的研究多集中在高产栽培技术方面，对大豆品种主要农艺性状与产量之间的关系及其变化规律已有一些研究［8-10］，但采用主成分分析与聚类分析相结合的方法对不同品种相关农艺性状进行量化分析的研究鲜见报道。本研究采用多元统计分析方法，通过对20种大豆品种的产量和农艺性状进行分析，探讨了它们之间的量化关系，并对各参试品种的性状进行了聚类分析和综合评价，旨在明确大豆高产群体的特征，为内蒙古乌兰察布市大豆的生产、引种及良种选育提供有价值的参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点与供试材料

本试验于2022年在乌兰察布市农林科学研究所平地泉基地进行，地理位置113.1196°E、40.9232°N，海拔1342 m，生育期平均温度16.92 ℃，降水量278.9 mm，日照时数1084.7 h。土壤质地为砂壤土，地力良好、平衡，前茬作物为马铃薯。

供试大豆品种：内豆4号、蒙豆343、蒙豆160、蒙豆170、蒙豆42、蒙豆43、蒙豆46、蒙豆48、蒙豆49、蒙豆50、蒙豆15、登科5号、登科1号、蒙豆53、蒙豆54、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆1137、蒙豆912、东农690共20个大豆品种，均由呼伦贝尔市农牧科学研究所提供。

1.2 试验设计

2022年5月20日播种，以品种为处理，采取随机区组排列，设置3个重复，合计60个小区，每个小区面积为16.5 m2（5.5 m×3.0 m），株行距18 cm×25 cm，保护行≥2行，小区间观察道宽0.5 m，小区中间过道宽1.0 m。

1.3 测定内容与方法

记录各参试大豆品种的生育期、收获期；在每个小区随机挑选大豆植株10株，并分别测定其株高、主茎节数、结荚高度、分枝数等农艺性状，以及单株有效荚数、单株无效荚数、单株总粒数、百粒重等产量构成性状。每个小区收割20穴，脱粒，晒干，测定20株的总产量。同时，每个小区全部收割，混合脱粒，测定每个小区的实际产量。

1.4 统计分析

运用Excel 2010和SPSS 19.0软件对试验数据进行处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 生育期

由表1可以看出，内豆4号的生育期最短，为92 d；蒙豆912的生育期最长，为122 d。除此之外，其他参试大豆品种的生育期在108～118 d之间。总体来说，除内豆4号外，参试大豆品种的生育期较为接近，在内蒙古乌兰察布地区种植均能够正常成熟。

表1 参试大豆品种的生育期情况

2.2 产量和农艺性状

测定参试品种的单株有效荚数、无效荚数、总粒数、有效分枝数，以及百粒重、产量、株高、主茎节数、底荚高度等指标，结果(表2)表明：不同品种的各个农艺性状和产量性状之间的差异较大，变异系数最大的是单株无效荚数，为0.83；其次是单株有效分枝数，为0.77，这说明无效荚数和有效分枝数会随外界环境的改变而发生较大的变化。在大豆的实际生产中，可以通过调控农艺和产量性状来达到提高产量的目的。主茎节数的变异系数最小，为0.12；其他产量和农艺性状的变异系数较小，集中在0.13～0.23之间，说明这些指标受遗传因素的影响较大，有一定的稳定性。

表2 参试大豆品种主要产量和农艺性状的表现

2.3 产量和农艺性状之间的相关性分析

对参试大豆品种的农艺性状和产量性状进行Person相关性分析，结果如表3所示，由此可以看出：小区产量与株高、主茎节数、底荚高度、单株有效荚数、单株总粒数呈显著正相关，与20株产量呈极显著正相关；20株产量与株高、单株有效荚数呈显著正相关，与单株总粒数呈极显著正相关；百粒重与单株有效荚数、单株总粒数呈显著负相关；单株总粒数与单株有效荚数呈极显著正相关；单株无效荚数与底荚高度呈极显著负相关；株高与单株有效荚数、主茎节数呈显著正相关。

表3 参试大豆品种产量性状、农艺性状间的相关性

2.4 参试大豆品种的主成分分析

对试验数据进行Bartlett球形度检验和KMO检验(表4)，根据检验要求，如果KMO＞0.8，则说明非常适合进行分析；如果KMO值介于0.7～0.8之间，则说明比较适合进行分析；如果KMO值介于0.6～0.7之间，则说明可以进行分析；如果KMO值＜0.6，则说明不适合进行分析。本试验符合KMO＞0.6且P＜0.05的标准，这说明适合进行主成分分析。

表4 Bartlett球形检验和 KMO检验结果

对参试品种的农艺和产量性状做主成分分析，从表5可以看出：通过主成分分析提取出3个主成分，第1主成分的特征值为4.057，贡献率为40.569%；第2主成分的特征值为2.230，贡献率为22.302%；第3主成分的特征值为1.197，贡献率为11.970%；前3个主成分的累计贡献率为74.841%。

表5 参试大豆品种主成分分析结果

表6反映出了各主成分的载荷量和共同度，由此可以看出：第1主成分包括小区产量(载荷量0.847)、20株产量(0.838)、单株有效荚数(0.774)、单株总粒数(0.766)、株高(0.705)、主茎节数(0.661)和底荚高度(0.508)；第2主成分包括百粒重(0.863)；第3主成分包括单株无效荚数(0.548)。

表6 载荷量与共同度

2.5 聚类分析

对20个品种的10个性状进行系统聚类分析，结果如图1所示，按照聚类结果在最大距离为10时，可将20个品种划分为4个大类：类群Ⅰ包括蒙豆343、蒙豆53、蒙豆46、蒙豆54、内豆4号、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆48、蒙豆912；类群Ⅱ包括蒙豆42、蒙豆50、蒙豆49、蒙豆43、蒙豆1137、蒙豆160、登科5号、登科1号、蒙豆15；类群Ⅲ包括东农690；类群Ⅳ包括蒙豆170。

图1 参试大豆品种的聚类分析结果

根据聚类分析结果，对4个大类的产量和农艺性状进行系统分析，总结出各大类群的性状特征。结果表明(表7)：类群Ⅰ品种的株高、主茎节数、底荚高度、单株有效荚数、20株产量和小区产量适中，有效分枝数和单株无效荚数少，百粒重高。类群Ⅱ品种的株高、主茎节数、底荚高度、百粒重、20株产量和小区产量高，单株总粒数和单株有效荚数较多，单株有效分枝数适中，单株无效荚数少，该类型是典型的高产类型，具有植株高大，单株总粒数和单株总荚数较多且颗粒大的特点。类群Ⅲ品种的株高、主茎节数、单株有效分枝数、单株有效荚数、单株总粒数高，底荚高度、20株产量和小区产量适中，单株无效荚数和百粒重低，该类型是典型的株高粒小型。类群Ⅳ品种的株高、主茎节数、底荚高度、20株产量和小区产量低，单株有效分枝数、单株有效荚数、单株总粒数、百粒重适中，单株无效荚数多，该类型植株矮小，产量低，容易受环境的影响而产生空瘪粒。

表7 参试大豆品种4个类群的性状特征

3 讨论

3.1 产量、农艺性状的变异性和相关性分析

大豆植株性状的变异系数反映了不同大豆品种随着环境的改变而发生改变的可能性，韩秉进等［11］认为除了百粒重、主茎节数、每荚粒数和经济系数的变异较小，改良空间较小外，大豆的其他性状都有一定的改良空间；4粒荚数、分枝数的变异系数最大，可通过品种的更换或改良、施肥的改善等栽培措施，使其具有较大的改良空间，其也可以作为育种选择的性状。本研究发现，大豆的单株无效荚数和单株有效分枝数的变异系数最大，有很大的改良空间，而百粒重、主茎节数、株高等性状的变异系数小，受遗传因素的影响较大，这与前人的研究结果相似。

符小发等［12］认为单株粒数、单株荚数、生物产量、株高等性状能为大豆产量的积累提供足够的“库”，这些指标与产量呈显著正相关；潘相文等［13］亦认为在选择大豆高产品种时，应侧重选择这些性状为重要指标。王金陵等［14-15］认为大豆的株高与单株产量呈正相关，而孟庆喜等［16］认为大豆的株高与单株产量在肥力高的田块呈负相关，在肥力低的田块则呈正相关。本研究结果表明：与大豆产量呈显著正相关的性状指标有株高、主茎节数、底荚高度、单株有效荚数、单株总粒数，这与前人的研究结果相似。

3.2 主成分分析与聚类分析

众多学者认为单株粒重是提高产量的关键因素，即单株粒重对产量的贡献最大［17-21］。符小发等［12］研究发现不同农艺性状对不同大豆品种单株产量的影响表现为单株荚数＞单株粒数＞生物产量＞有效分枝数＞百粒重＞生育期＞株高。任海龙等［22］得出大豆单株产量与农艺性状的关联强度表现为单株粒数＞单株荚数＞有效分枝数＞株髙＞主茎节数＞生育期＞百粒重。王彩洁等［6］认为分枝数、单株荚数是影响大豆产量的关键因素，因而是育种过程中选择的主要目标性状。

本研究对20份参试大豆材料进行主成分分析后，得出了3个主成分，3个主成分的累计贡献率为74.841%。第1主成分的特征值为4.057，贡献率为40.569%，说明在本试验中该类主成分对产量形成有重要的影响。除去产量因素，还有百粒重、单株有效荚数、单株总粒数、株高和主茎节数的载荷量较高，分别为0.863、0.774、0.766、0.705和0.661，说明这几个农艺性状对产量的影响较大，因此在育种中应该优先选择具有这类优良性状的大豆材料，并在高产栽培模式创建过程中对这些性状进行重点调控。

本研究通过聚类分析发现产量最高的是类群Ⅱ，说明高产大豆品种的特点为株高、主茎节数、底荚高度、百粒重高，单株总粒数和单株有效荚数较多，单株有效分枝数适中，单株无效荚数少。由此可知，选育高产大豆品种时不能 一味地追求单株总荚数和总粒数，而是在保证这2项指标的基础上，适当提高株高，增加百粒重。这与陈桂娟等［23］的研究结果相似。

4 结论

乌兰察布市气候干燥，昼夜温差大，光能资源极为丰富，日平均日照时数为7.6～8.4 h，可以为大豆产量的积累提供足够的“源”。本试验选取的20个大豆品种均能在本地区正常生长成熟。综合聚类分析、主成分分析和相关性分析结果，大豆高产群体的农艺性状和产量性状表现为株高高、主茎节数多、底荚高度高、粒重大、单株总粒数和有效荚数多，说明在选育高产品种时，要首先考虑这些指标。变异性分析表明：单株无效荚数和单株有效分枝数的变异系数最大，说明在品种遗传改良时这2个性状可作为优先考虑的农艺性状。