基于变异系数和主成分分析花生主要品质性状的遗传多样性评价

苗建利 邓 丽 殷君华 郭敏杰 李 艳 任 丽

（1 开封市农林科学研究院，河南开封 475004；2 焦作大学，河南焦作454003）

花生（Arachis hypogaeaL.）为我国重要的油料作物和经济作物。2011-2020 年的近10 年间，我国花生种植面积由435.8 万hm2增加到475.4 万hm2，总产量由1530 万t 上升到1799 万t，面积和总产总体呈上升态势。2021 年我国花生播种面积已达482.9 万hm2，花生总产1830.8 万t，其产能占油料总产的50.7%[1]。新出台的第20 个指导“三农”工作的中央一号文件重点提出了“多油并举扩大油料面积。在黄淮海和北方农牧交错带发展玉米花生轮作，因地制宜发展油葵、芝麻等特色油料生产”[2]的建议。花生作为我国食用植物油的主要来源，其稳步扩种将为我国“油瓶子”的基本安全提供保障。因此，对育种家来说，高产育种仍是永恒不变的主题，但随着生活水平的提高，人们对品质的关注也日益加深，品质性状的改良离不开亲本的合理选配，选择遗传差异较大的亲本进行杂交，可以产生广泛变异，更易筛选出性状超亲、适应性强的后代材料。

为更好地了解花生品质性状，姜慧芳等[3]对6390 份我国栽培种花生资源品质性状进行检测分析，研究表明，其含油量和油酸含量差异大，遗传改良潜力高。单世华等[4]评价了我国5700 余份花生品种资源，发现脂肪含量和蛋白质含量的变幅相当大，具有丰富的遗传多样性。房元瑾等[5]研究发现我国285 个花生种质资源具有丰富的外观性状。殷冬梅等[6]对51 个花生品种的主要品质性状进行综合评价，发现其品质性状存在较大差异。郭峰等[7]利用变异系数分析了61 个花生品种品质性状的遗传特性，发现油亚比差异最大，含油量变化程度较小，蛋白质的变异系数要远大于含油量的变异系数。此外，夏友霖等[8]、刘立峰等[9]和吕建伟等[10]也在花生种质资源品质性状的鉴定评价方面开展了大量工作。

变异系数（Coefficient of variation）是衡量各观测值变异程度的一个统计量[11]，用来分析性状的遗传变异程度[12-14]。主成分分析法是将原始的多个变量通过线性组合提炼出几个主要的彼此独立的新变量的一种多元统计方法，在花生[15]、棉花[16]、小麦[17]、水稻[18]、紫苏[19]、红麻[20]、杧果[21]、猕猴桃[22]、番茄[23]等农作物或果蔬中被广泛应用。本研究以19 个花生品种为研究对象，对其主要品质性状进行变异分析和主成分分析，以期明确河南省夏直播花生的主要品质性状的多样性，为花生品质改良提供优异资源。

1 材料与方法

1.1材料本研究数据来源于2013 年河南省夏直播花生区域试验汇总报告。参试品种是由河南省农业科学院经济作物研究所、开封市农林科学研究院、濮阳市农业科学院等单位选育出的花生新品种，花生品种及代码详见表1。

表1 花生品种及其代码

1.2试验方法试验采用随机区组排列，重复3次。小区长6.67m，宽2m，每小区6 行，穴距16.7cm，种植密度为18 万穴/hm2，每穴2 粒种子。品质分析由河南省农业科学院经济作物研究所从各参试地点取混合样送至农业农村部农产品质量监督检验测试中心（郑州）统一测试，测定花生籽仁脂肪含量（X1）、蛋白质含量（X2）、油酸含量（X3）、亚油酸含量（X4）和油酸含量/亚油酸含量比值（X5）。

1.3数据分析采用Excel 2010 进行数据统计和处理，利用ⅠBM SPSS Statistics 26 进行变异分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析，聚类分析使用ward（沃德联接法）进行系统聚类。采用Shannon-Wiener’s 遗传多样性指数（多样性指数Shannonwiener diversity index，H′）进行遗传多样性评价，参照刘亚楠等[24]的方法根据各表型性状的平均值和标准差来计算，计算公式H′=-∑{（Ni/N）ln（Ni/N）}，式中Ni为某性状第i个代码出现的次数，N为某性状所有代码出现的次数，Ni/N表示某性状第i个代码出现的频率。为便于数量化和统计分析，对数量性状进行分级，多样性指数的划级方法如下：先计算参试材料总体平均数（X）和标准差（d），然后对数量性状划分为10 级，即1 级＜X-2d，10 级＞X+2d，中间每级间隔0.5d（d为标准差），每一级的相对频率用于计算遗传多样性指数。

2 结果与分析

2.1主要品质性状的变异分析由表2 可知，19 个花生品种的平均脂肪含量（X1）为57.28%、蛋白质含量（X2）为18.46%、油酸含量（X3）为44.77%、亚油酸含量（X4）为34.09%。5 个主要品质性状平均变异系数为42.69%。各性状呈现不同程度的表型变异，脂肪含量（X1）、蛋白质含量（X2）的变异系数分别为2.96%、8.68%，远远低于变异系数的平均值，方差波动较小，而多样性指数较高，分别为1.8642和1.8785，表明其遗传特性相对稳定；油酸含量（X3）和亚油酸含量（X4）的变异系数分别为25.62%和29.28%，方差波动较大，表明其遗传特性相对不稳定；油亚比值（X5）的变异系数为146.90%，远远高于变异系数的平均值，其多样性指数最低，为0.3365，表明其遗传特性极不稳定。

表2 花生品种主要品质性状的变异分析

2.2主要品质性状间的相关分析对19 个花生品种的主要品质性状进行相关性分析（表3），结果表明：脂肪含量（X1）与蛋白质含量（X2）呈极显著负相关（r=-0.773）；油酸含量（X3）与亚油酸含量（X4）呈极显著负相关（r=-0.999）；油亚比值（X5）与油酸含量（X3）呈极显著正相关（r=0.975），与亚油酸含量（X4）呈极显著负相关（r=- 0.977）。

表3 主要品质性状间的相关系数

2.3品质性状的主成分分析和综合评价

2.3.1主成分分析主成分分析结果表明（表4），花生品种5 个主要品质性状共提取出5 个主成分，每个主成分都有贡献，当特征值＞1.0 时，对19 个花生品种的5 个主要品质性状进行主成分提取，共提取到了2 个主成分，第1 主成分（F1）和第2 主成分（F2）的特征值分别为3.189 和1.564，贡献率分别为63.779%和31.285%，累计贡献率达95.064%，说明前2 个主成分能够有效地浓缩花生主要品质性状大部分信息。

表4 主要品质性状的主成分因子的方差贡献率

为清晰明确各主成分的载荷区分，将2 个主成分经过正交方差最大旋转后（表5），第1 主成分F1=0.180X1-0.049X2+0.994X3-0.992X4+0.976X5，其中，载荷较高且为正值的是油酸含量（X3）和油亚比值（X5），分别为0.994 和0.976，为负值且绝对值较大的是亚油酸含量（X4），这几个性状均属于不饱和脂肪酸，因此，可以把第1 主成分称为不饱和脂肪酸因子。第2 主成分F2=0.925X1-0.944X2+0.079X3-0.105X4+0.175X5，载荷绝对值最大的是蛋白质含量（X2），载荷较高且为正值的是脂肪含量（X1），这一主成分可称为高脂肪、低蛋白因子。

表5 旋转后的成分矩阵

2.3.2综合评价根据上述2 个主成分对花生品种进行综合分析（表6），建立花生综合评价数学模型：F=63.779/95.064×F1+31.285/95.064×F2[25]。利 用该模型计算各花生品种主要品质性状综合得分并进行排序（表6），若以综合得分作为评价指标，排名前5 位的品种是农花11、开农71、郑花013、豫花9327和豫花47 号。其中，农花11 和开农71 为高油高油酸花生品种，可以作为目标亲本用于选育高油高油酸花生品种；郑花013、豫花9327 和豫花47 号为高脂肪低蛋白花生品种，可作为目标亲本用于选育高脂肪的花生品种。

表6 主要品质性状主成分值和综合得分值排名

对各花生品种主要品质性状和综合得分进行相关分析，结果表明（表7），综合得分与脂肪含量（X1）、油酸含量（X3）和油亚比值（X5）呈极显著正相关，与蛋白质含量（X2）、亚油酸含量（X4）呈显著或极显著负相关，说明综合得分可以作为花生品种的综合评价依据。

表7 主要品质性状与综合得分间的相关系数

2.4主要品质性状聚类分析使用ward 法对19个花生品种的主要品质性状进行系统聚类，以平方欧式测量距离2.5 为分界线，将19 个花生品种分为两大类群（图1、表8），类群Ⅰ包含开农71 和农花11，这2 个品种占参试品种10.53%，这一类群的品种平均脂肪含量59.03%，平均油酸含量为76.10%，平均油亚比值11.27；类群Ⅱ包含豫花47 号、豫花9327、郑 花013 等17 个 品 种（占 比89.47%），脂肪含量范围53.61%～59.88%，蛋白质含量范围15.63%～21.42%，平均油亚比值1.11，此类群品种中，蛋白质含量较低的是豫花9327 和郑花013，分别为16.30%和15.63%。

图1 花生品种主要品质性状的聚类图

表8 不同类群花生主要品质性状概况

为进一步明确各类群花生品种的主要品质特征，对两大类群的花生品种各指标特征绘制箱形图（图2），结果可知，类群Ⅰ的特征是脂肪含量高，油酸含量高，亚油酸含量较低，油亚比值较大；类群Ⅱ的特征是油酸含量较低、亚油酸含量较高，油亚比值较低。

图2 2 个类群花生品种5 个主要品质性状箱形图

3 结论

本研究利用变异系数和多样性指数来衡量19个花生品种主要品质性状的遗传多样性，结果表明，脂肪含量（X1）、蛋白质含量（X2）遗传特性相对稳定，而油酸含量（X3）和亚油酸含量（X4）变异系数较大，遗传特性极不稳定。除油亚比值（X5）的多样性指数相对较低外，其余性状的多样性指数均大于1，表明这些性状的多样性较为丰富。主成分分析结果显示，前2 个主成分浓缩了花生品质性状的主要信息，分别为高油酸低亚油酸因子、高脂肪低蛋白因子。聚类分析把19 个花生品种分为两大类群，类群Ⅰ的脂肪含量高、油酸含量高，油亚比值较大；类群Ⅱ的油酸含量较低、亚油酸含量较高，油亚比值较低。

作物品种选育过程中，高产是首选，花生也不例外，可结合既定的育种目标来挑选具有不同特质的种质进行亲本选配，提高育种选择的效率。近年来，在围绕花生高产育种的同时，越来越注重花生品质的提升。本研究结果显示，19 个花生品种含油量高，蛋白质含量普遍低，这与姜慧芳等[26-27]对不同地理来源花生种质的品质差异比较分析结果相一致，即认为河南地方品种的蛋白质含量最低，含油量最高（化学分析）。针对河南花生种质资源中缺乏高蛋白含量品种这一问题，育种家在亲本选配时，可以通过引进省外高蛋白种质资源的方法加以改良，例如可以选择中国农业科学院油料作物研究所宜恩长潭河花生（蛋白质含量为36.71%）或国外引进的国际半干旱热带地区作物研究所（ⅠCRⅠSAT）ⅠGGS（E）18（蛋白质含量为36.82%）作为高蛋白基因资源加以利用[4]。本研究中，同时兼顾高油酸和高脂肪优良特性的双高花生种质资源为开农71 和农花11，这2 个双高品种为未来花生品质性状选择及育种提供了优异种质资源。