安麥1132農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量的相關(guān)性和主成分分析

薛志偉，楊春玲

(安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南安陽 455000)

農(nóng)作物產(chǎn)量的高低是多個農(nóng)藝性狀共同作用的結(jié)果，各性狀之間相互作用最終形成作物籽粒產(chǎn)量[1，2]。目前新品種(系)的選育要經(jīng)過多年多點篩選鑒定，作物育種家關(guān)注的焦點不僅是單一的產(chǎn)量水平，還有田間農(nóng)藝性狀的綜合表現(xiàn)。在育種工作中如果僅僅將產(chǎn)量指標(biāo)作為唯一評判因素，或者僅對單一性狀指標(biāo)進(jìn)行選擇，則可能因主觀影響而出現(xiàn)誤判。

主成分分析主要利用降維的思想，在保證損失較少信息量的前提下，將多個原始并且彼此相關(guān)的變量轉(zhuǎn)化成新的個數(shù)較少且彼此獨立的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計方法[3，4]。在多指標(biāo)的研究中，各個指標(biāo)之間往往存在一定的相關(guān)性。主成分分析通過線性變換后每個成分都能夠反映原始變量的大部分信息，且所含信息互不重復(fù)，使數(shù)據(jù)分析變得簡單直接，評價結(jié)果更客觀準(zhǔn)確[5]。隨著統(tǒng)計學(xué)的發(fā)展，主成分分析不僅普遍應(yīng)用于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)分析、自動化與計算機技術(shù)和環(huán)境科學(xué)工程，還廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物遺傳多樣性、種質(zhì)資源研究和農(nóng)藝性狀綜合篩選等系統(tǒng)綜合評價。目前國內(nèi)外利用主成分分析法在小麥[6～8]、玉米[9，10]、谷子[11]、大豆[12]等多種作物的改良、創(chuàng)新和抗逆選擇等方面取得了重要的研究進(jìn)展。

小麥?zhǔn)俏覈匾募Z食作物，其田間表現(xiàn)是眾多農(nóng)藝性狀的綜合表達(dá)體。為了明確小麥諸多農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的關(guān)系，筆者運用統(tǒng)計學(xué)相關(guān)分析和主成分分析方法對安麥1132在多個區(qū)域試驗點的基本苗數(shù)、幼苗生長習(xí)性、有效穗數(shù)、黑胚率、熟相、出苗至抽穗天數(shù)和抽穗至成熟天數(shù)等農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量進(jìn)行綜合研究，以期對小麥品種安麥1132進(jìn)行科學(xué)合理的綜合評價。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以小麥品種安麥1132 于2014—2015年和2015—2016年分別在河南省種子管理站11個和12個區(qū)域試驗點的田間觀測數(shù)據(jù)匯總結(jié)果為分析資料。

2014—2015年洛陽點試驗地前茬為綠肥掩青，林州點為旱地休閑，三門峽院點為芝麻，偃師點為大豆，其余各試驗點(嵩縣點、三門峽站點、靈寶點、鶴壁點、濟(jì)源點、汝州點、鎮(zhèn)平點)前茬均為玉米。2015—2016年試驗地前茬多為玉米(鶴壁點、靈寶點、汝州點、鎮(zhèn)平點)，寶豐點、濟(jì)源點前茬為大豆，林州點、嵩縣點前茬為谷子，洛陽點為綠肥掩青，三門峽院、三門峽站前茬為傳統(tǒng)的曬旱地，鄧州點前茬為煙草。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，小區(qū)面積12～15 m2，收獲計產(chǎn)面積12 m2以上。播種前精細(xì)整地，一次性施足底肥，生育期間不再追肥。每個試驗點均選擇有代表性的旱地進(jìn)行試驗，小麥生育期間不澆水。

1.2 試驗方法

選取基本苗數(shù)、有效穗數(shù)、黑胚率、出苗到抽穗天數(shù)、抽穗到成熟天數(shù)等農(nóng)藝性狀，按照小麥品種試驗觀察記載項目內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)定期觀測。出苗之后選擇有代表性的樣點觀測基本苗數(shù)、有效穗數(shù)，準(zhǔn)確記載生育期、田間管理技術(shù)等內(nèi)容。為了便于應(yīng)用計算機儲存、分析試驗資料，全部記載均數(shù)量化。幼苗生長習(xí)性、熟相一般采用五級制，沿用三級制的一些性狀，記載級別由小值到大值，表示幼苗生長習(xí)性由匍匐到直立；熟相由好到差。收獲后進(jìn)行產(chǎn)量測定。

1.3 統(tǒng)計分析

利用Excel對上述農(nóng)藝性狀進(jìn)行基本統(tǒng)計分析，利用SPSS 19.0進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本統(tǒng)計分析

對安麥1132品種的6個性狀進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果顯示(表1)：變異系數(shù)表現(xiàn)為出苗到抽穗天數(shù)<抽穗到成熟天數(shù)<基本苗數(shù)<產(chǎn)量<有效穗數(shù)<黑胚率。出苗到抽穗天數(shù)和抽穗到成熟天數(shù)的變異系數(shù)分別為3.47%和5.85%，黑胚率的變異系數(shù)則達(dá)到105.20%。

表1 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的描述性統(tǒng)計

2.2 相關(guān)分析

由表2可知，各性狀與產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)表現(xiàn)為有效穗數(shù)>黑胚率>熟相>抽穗到成熟天數(shù)=出苗到抽穗天數(shù)>幼苗生長習(xí)性>基本苗數(shù)，其中有效穗數(shù)和黑胚率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。幼苗生長習(xí)性、熟相、出苗到抽穗天數(shù)和抽穗到成熟天數(shù)與產(chǎn)量正相關(guān)，基本苗數(shù)與產(chǎn)量負(fù)相關(guān)。從各性狀之間的相關(guān)系數(shù)來看，幼苗生長習(xí)性與黑胚率極顯著正相關(guān)；基本苗數(shù)與有效穗數(shù)和黑胚率顯著負(fù)相關(guān)，與熟相和出苗到抽穗天數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)；有效穗數(shù)與熟相極顯著正相關(guān)，與出苗到抽穗天數(shù)顯著正相關(guān)；黑胚率與熟相和出苗到抽穗天數(shù)顯著正相關(guān)；出苗到抽穗天數(shù)與抽穗到成熟天數(shù)負(fù)相關(guān)。

表2 農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)

2.3 主成分分析

2.3.1 判斷主成分分析的適用性

對安麥1132的7個性狀和產(chǎn)量進(jìn)行主成分分析，各性狀編號為：基本苗數(shù)(Z1)、幼苗生長習(xí)性(Z2)、有效穗數(shù)(Z3)、黑胚率(Z4)、熟相(Z5)、出苗到抽穗天數(shù)(Z6)、抽穗到成熟天數(shù)(Z7)和產(chǎn)量(Z8)。

觀察數(shù)據(jù)在進(jìn)行主成分分析之前，需判斷是否符合Kaiser-Meyer-Olkin度量。本文觀察值數(shù)據(jù)KMO值為0.71，Bartlett 球形度檢驗的Sig.為0，可以用于主成分分析。

2.3.2 提取主成分

在主成分分析中方差代表了性狀在主成分方向上的分散程度[4]。方差越大，主成分在樣本數(shù)據(jù)分析中所起的作用越大。由表3 可知，第一主成分的特征值為3.43，貢獻(xiàn)率42.86%；第二主成分的特征值為1.42，貢獻(xiàn)率17.80%；第三主成分的特征值為1.18，貢獻(xiàn)率14.78%，三者的貢獻(xiàn)率累計達(dá)75.43%。因此本文選取前3個成分作為主成分代表8個性狀反映的信息，其中第一主成分的貢獻(xiàn)率最大，說明它綜合原有觀察值數(shù)據(jù)信息的能力最強。

表3 各成分解釋的總方差

2.3.3 主成分變量

根據(jù)田間記載項目分類與成分矩陣(表4)提取3個主成分包含的變量：第一主成分特征根從大到小依次是黑胚率(0.81)、熟相(0.79)、有效穗數(shù)(0.69)、出苗到抽穗天數(shù)(0.66)、幼苗生長習(xí)性(0.56)、產(chǎn)量(0.51)、抽穗到成熟天數(shù)(0.38)、基本苗數(shù)(-0.72)。其中有效穗數(shù)、黑胚率、熟相和產(chǎn)量之間有最直接的關(guān)系，因而第一主成分可以解析為安麥1132籽粒產(chǎn)量因子。小麥從出苗到成熟橫跨多個生育期。穗部性狀從穗原基經(jīng)伸長、分化、凸起至羽毛形成期，籽粒經(jīng)歷乳熟、蠟熟，最終完熟成型。從籽粒的外觀和食用品質(zhì)考慮，安麥1132可適當(dāng)提高有效穗數(shù)，為高產(chǎn)創(chuàng)造條件，但不宜過分追求單一高產(chǎn)，以免影響籽粒黑胚率和熟相，造成籽粒品質(zhì)下降。

第二主成分中數(shù)值最大的為抽穗到成熟天數(shù)(0.77)，最小的為出苗到抽穗天數(shù)(-0.44)，因此第二主成分可以解析為物候期因子。小麥從出苗以后到抽穗受到多種發(fā)育因子的影響，在北部的冬麥區(qū)種植的多為冬性和半冬性小麥品種，小麥在幼苗階段必須經(jīng)歷一定的低溫春化時期才可以進(jìn)入幼穗分化，完成頂端發(fā)育[13，14]。冬小麥屬跨年生作物，因而可以考慮適當(dāng)減少第二主成分，延長冬小麥出苗到抽穗的營養(yǎng)器官生長階段，為抽穗到成熟的生殖器官生長階段積蓄能量。

第三主成分的基本苗數(shù)(0.49)和幼苗生長習(xí)性(-0.38)可以解析為幼苗因子。只有適宜的基本苗數(shù)，才能協(xié)調(diào)小麥群體和個體之間的生長矛盾。群體數(shù)量過大會造成個體營養(yǎng)供應(yīng)不足，影響小麥后期有效穗數(shù)以及籽粒產(chǎn)量，因此第三主成分可適當(dāng)減少。

表4 成分矩陣

3 結(jié)論與討論

通過對安麥1132的8個性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不同試驗點間出苗到抽穗天數(shù)和抽穗到成熟天數(shù)變異系數(shù)較小，而籽粒黑胚率的變異系數(shù)較高。在實際生產(chǎn)中可以延長出苗到抽穗天數(shù)，有益于有效穗數(shù)的增長，而有效穗數(shù)適當(dāng)增加有益于產(chǎn)量提高，但安麥1132籽粒黑胚率也會隨之增加，籽粒熟相會變差，因而要注意平衡籽粒要素之間的關(guān)系。

(1)變異系數(shù)在統(tǒng)計學(xué)上用來衡量樣本的離散程度，代表本身遺傳多樣性，變化幅度的大小反映了性狀的豐富程度[15]。同一個品種的性狀在不同地點的變異程度越小，說明其變異偏離的程度越小。變異系數(shù)大，則性狀變化幅度較大。對安麥1132農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量變異系數(shù)綜合分析得出，安麥1132在不同試驗點生育動態(tài)變化幅度較小，而籽粒成熟情況受試驗點影響較大。

(2)運用主成分分析法可以減少分析時的維度，同時可以將多個相互關(guān)聯(lián)性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換成較少的獨立的新指標(biāo)[6，16]。本研究對安麥1132田間7個農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量進(jìn)行主成分分析，其中前3個主成分可以解析為籽粒產(chǎn)量因子、物候期因子和幼苗因子，累計貢獻(xiàn)率75.43%。這3個因子可以代表8個性狀所代表的遺傳信息。第一主成分因子的方差貢獻(xiàn)率最高為42.86%，第二主成分因子和第三主成分因子方差貢獻(xiàn)率分別為17.80%和14.78%。本文中第一主成分的負(fù)荷最大，說明籽粒產(chǎn)量因子(有效穗數(shù)、熟相、黑胚率和產(chǎn)量)對安麥1132的品種改良和綜合評價中具有重要的作用。

(3)農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)是遺傳因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，在育種中，將所有的優(yōu)良性狀集中于一體是很難的。根據(jù)前人的研究，氣候變暖的現(xiàn)象正在對包括小麥在內(nèi)的農(nóng)作物產(chǎn)生極大的影響，小麥品種的地區(qū)適應(yīng)性發(fā)生變化，整個生育期正在變短[17，18]。目前對小麥田間相關(guān)性狀的分析，對環(huán)境因素考慮較少，原因是氣象因子難以量化且年度間變化較大，這一定程度上影響了田間農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)和品種的改良[19]。因此在研究小麥農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)時應(yīng)重點考慮氣象因子對其田間表現(xiàn)的影響，這對于品種的田間選育和栽培技術(shù)運用具有重要意義。