甘藍型油菜矮稈種質(zhì)群體農(nóng)藝性狀相關(guān)性及主成分分析

尚麗平，趙亞軍，張立堅，羅 斌，李保軍，趙衛(wèi)國，王 灝

(陜西省雜交油菜研究中心，陜西 楊凌 712100)

油菜是我國國產(chǎn)植物油第一大油源，在食用油保障和飼用蛋白供給方面起著舉足輕重的作用。株高是油菜的重要的農(nóng)藝性狀之一，直接影響作物的抗倒伏能力和豐產(chǎn)潛能。目前，雜交油菜的種植面積達到了油菜總面積的70%，雜交油菜品種具有高產(chǎn)抗病的優(yōu)勢，自2000年以來種植面積迅速擴大[1]，但是雜交油菜營養(yǎng)體的雜種優(yōu)勢越來越強，高度卻比常規(guī)油菜增加了近20 cm，營養(yǎng)體的雜種優(yōu)勢越來越強增加了成熟期倒伏的風(fēng)險，也阻礙了油菜機械化收割的進程。研究還發(fā)現(xiàn)倒伏后油菜每顆粒數(shù)下降17.5%，種子產(chǎn)量下降16.2%[2]，倒伏也使得油菜機械收獲難度增加，導(dǎo)致收獲性減產(chǎn)。降低株高可以有效提高作物的抗倒伏能力、收獲指數(shù)以及種子的品質(zhì)[3]。20世紀50年代，育種家提出了矮化育種，隨后矮稈小麥和矮稈水稻被育成并進行了大面積推廣，這次“綠色革命”帶來了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，油菜是繼小麥、水稻之后又一主導(dǎo)綠色革命的作物。過去的研究認為油菜株高的遺傳比較復(fù)雜，受多基因控制。矮稈油菜育種方面也取得了一定成果：Williams和Hill等人獲得了甘藍型油菜矮桿突變體Bn5-2和Bn5-2[4]，梅德圣等人發(fā)現(xiàn)了自然突變的矮桿油菜99CDM[5]，沈金雄創(chuàng)制出了甘藍型油菜矮桿“棒狀”突變體[6]，陳大倫選育出了遺傳穩(wěn)定的矮桿材料3862Sd，張瑞茂選育出了適宜機械化收割的矮桿直立品系DW871[7]，關(guān)周博選育出了矮桿、高油、株型緊湊的細胞質(zhì)雄性不育恢復(fù)系“DH16-202”[8]。

迄今，圍繞油菜矮化育種，在矮稈材料選育、矮稈基因定位、遺傳規(guī)律、矮化機制等方面進行了大量的研究，但對矮稈油菜種質(zhì)資源方面的研究報道甚少，而種質(zhì)資源材料是新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的分析、評價種質(zhì)材料是有效利用種質(zhì)資源的前提。農(nóng)藝性狀是植物品種選育的重要參考指標，表現(xiàn)直觀，便于觀察，掌握農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系是科學(xué)育種的關(guān)鍵[9]。對農(nóng)藝性狀的研究在二十世紀以來的作物品種改良上起到了關(guān)鍵的作用，在分子選擇育種過程中也要依賴于農(nóng)藝性狀的考察與評價[10]。因此，明晰群體農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系是科學(xué)評價種質(zhì)資源進而科學(xué)高效育種的關(guān)鍵步驟。

試驗選用了214份矮桿油菜種質(zhì)材料，株高介于61 cm到145.6 cm之間，在陜西楊凌連續(xù)兩年種植，并對其部分農(nóng)藝性狀進行考察，包括株高、有效分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)、角果長度、每角粒數(shù)、角果密度、千粒重，單株產(chǎn)量。對考察獲得的農(nóng)藝性狀進行表型變異、相關(guān)性分析和主成分分析，探討矮桿油菜資源各個表型之間的關(guān)系。筆者研究的旨在為矮稈油菜選擇育種親本材料提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為陜西省雜交油菜研究中心生物技術(shù)室提供的214份矮桿油菜材料。

1.2 試驗時間、地點

試驗于2016年9月至2018年6月，連續(xù)2年種植在在陜西省雜交油菜研究中心(楊凌)試驗田。

1.3 試驗設(shè)計與考種

試驗將214份矮桿材料種植3個重復(fù)，每個重復(fù)種植5行行長2 m，行距0.4 m。每個小區(qū)邊行設(shè)保護行。每年6月待油菜即將成熟時對油菜農(nóng)藝性狀進行考察。農(nóng)藝性狀考察時每個材料隨機選取5株進行包括株高、有效分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、主花序角果數(shù)、角果長度、每角粒數(shù)、角果密度等農(nóng)藝性狀的考察，并對考察農(nóng)藝性狀的5個單株進行脫粒，統(tǒng)計單株量和千粒重。

1.4 數(shù)據(jù)分析方法

利用DPS分析軟件對群體諸多性狀的變異系數(shù)、相關(guān)性和主成分進行分析。

2 結(jié)果分析

2.1 群體農(nóng)藝性狀變異分析

對考察獲得的群體的10個農(nóng)藝性狀進行變異分析，結(jié)果如表1所示。分枝高度變異系數(shù)最大為56.81%，變異范圍為0 ～ 47.40 cm；其次是籽粒產(chǎn)量，變異范系數(shù)達37.90%，變異范圍為8.02 ～55.22 g；生物學(xué)產(chǎn)量變異系數(shù)為32.53%，變異范圍為27.00 ～161.00 g；主花序角果數(shù)、主花序長度、角果密度、每角粒數(shù)、一次分枝數(shù)的變異系數(shù)依次為32.13%、26.36%、25.79%、21.60%和19.09%；千粒重、角果長度和株高的變異系數(shù)最小，變異系數(shù)分別為17.51%、17.12%和16.77%，變異范圍分別為2.43 ～ 6.63 g、4.12 ～ 10.23 cm和61.00 ～145.60。在供試材料中除了10個性狀的變異系數(shù)都超過了10%。同時，從極值上來看各個性狀的最大值均超過了同形狀最小值的兩倍，只有株高和角果長度兩個指標的極差較小，但最大值也分別達到了其最小值的2.43倍和2.48倍。綜上可見，供試矮桿群體各性狀差異較大，具有豐富的遺傳多樣性，可以作為矮桿油菜育種選擇的資源材料。

表1 矮稈群體農(nóng)藝性狀變異分析

2.2 矮稈群體農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

對10個性狀進行相關(guān)性分析，結(jié)果如表2：有17對性狀間呈極顯著正相關(guān)，有1對性狀之間呈極顯著負相關(guān)，14對性狀之間呈負相關(guān)。從供試材料的株高與其他農(nóng)藝性狀的相關(guān)性可以看出，株高與有效分枝高度、主花序長度、主花序角果數(shù)和單株產(chǎn)量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為0.59、0.78、0.54、0.34，與角果密度和千粒重呈負相關(guān)。有效分枝高度與主花序長度、主花序角果數(shù)、角果密度、每角粒數(shù)和單株產(chǎn)量之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為0.42、0.38、0.19、0.18、0.17，分枝高度與分枝數(shù)之間呈負相關(guān)。一次分枝數(shù)與主花序角果數(shù)、角果密度、單株產(chǎn)量之間呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)依次為0.2、0.19、0.24。主花序長度與主花絮角果數(shù)、每角粒數(shù)和單株產(chǎn)量之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.69、0.13和0.28，增加主花序長度可能會提高產(chǎn)量，主花序長度與角果密度、千粒重之間呈負相關(guān)。主花序角果數(shù)與角果密度和單株產(chǎn)量之間相關(guān)系數(shù)為0.57和0.29，在育種選擇的過程中可以關(guān)聯(lián)考慮。角果長度與每角粒數(shù)和千粒重正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.26和0.29，角果長度與角果密度呈負相關(guān)。每角粒數(shù)與千粒重之間呈顯著負相關(guān)。

表2 矮稈群體農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

2.3 矮稈群體農(nóng)藝性狀主成分分析

主成分分析的結(jié)果表明，10個農(nóng)藝性狀中前5個性狀的特征根累計貢獻率達80.42%(表3)，這5個主成分可以概括10個數(shù)量性狀的絕大部分信息。

表3 10個性狀相關(guān)矩陣的特征根、貢獻率及累計貢獻率

第1主成分特征值為2.96，貢獻率為29.59%。表4顯示，在第1主成分中株高性狀的特征向量值最大，該結(jié)果表明株高對第一主成分的影響最大，其次影響較大的是主花序長度、主花序角果數(shù)、有效分枝高度、單株產(chǎn)量、每角粒數(shù)等，因此將第1主成分因子稱為株高因子。在矮稈育種的過程中，降低第1主成分值，可使主花序長度降低，主花序角果數(shù)減少，單株產(chǎn)量降低，每角粒數(shù)減少，有效分枝高度降低，而主花序角果數(shù)和每角粒數(shù)都屬于是構(gòu)成單株產(chǎn)量的三大因子(角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重)，因此在降低株高的育種過程中，要綜合考慮株高與產(chǎn)量的關(guān)系。

表4 前5個主成分對應(yīng)的特征向量值

第2主成分特征值為1.78，貢獻率為17.75%。在第2主成分中角果密度性狀的特征向量值最大，因此角果密度對第二主成分的影響最大，其次影響最大的是一次分枝數(shù)和主花序角果數(shù)，因此將第2主成分因子稱為角果密度因子。由第2主成分的分量值可以看出，株高、有效分枝高度、角果長度、每角粒數(shù)、千粒重為負值，說明株高越低，有效分枝高度降低，角果長度變短，每角粒數(shù)、千粒重變小，則角果密度增加，一次分枝數(shù)增加，主花序角果數(shù)增加。

第3主成分特征值為1.24，貢獻率為12.40%。在第3主成分中千粒重的特征向量值最大，因此第3主成分因子稱為千粒重因子。除粒重因為外，對應(yīng)的特征向量值從大到小依次為角果長度、單株產(chǎn)量、角果密度、一次分枝數(shù)、主花序角果數(shù)、有效分枝高度，株高、主花序長度、每角粒數(shù)為負值。對提高產(chǎn)量而言，粒重因子偏大較好，千粒重較大，角果長度、單株產(chǎn)量、角果密度也會有所增加，但株高會降低，主花序長度、每角粒數(shù)也會減少，因此第3主成分因子適度偏低較好。

第4主成分特征值為1.06，貢獻率為10.63%。在第4主成分中有效分枝高度特征向量值最大，其次為角果密度、每角粒數(shù)、主花序角果數(shù)，而一次分枝數(shù)、單株產(chǎn)量、株高、和主花序長度特征向量值為負值，因此第4主成分因子稱為有效分枝高度因子。

第5主成分特征值為1.00，貢獻率為10.05%。在第5主成分中每角粒數(shù)的特征向量值最大，其次是一次分枝數(shù)、角果長度、角果密度，因此每角粒數(shù)對第5主成分的影響最大，故將第5主成分因子稱為每角粒數(shù)因子。

3 結(jié)論

筆者試驗所研究的10個主要農(nóng)藝性狀存在著豐富的變異。有效分枝高度的變異系數(shù)最大，結(jié)果與趙衛(wèi)國的研究結(jié)果一致[11]，而且在相關(guān)性分析顯示有效分枝高度與主花序長度和主花序角果數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明各矮桿材料中分枝高度存在明顯差異且與主花序長度、主花序角果數(shù)密切相關(guān)，因此在矮桿油菜育種材料選擇中可將有效分枝高度作為選擇依據(jù)；產(chǎn)量、主花序角果數(shù)、主花序長度、角果密度和每角粒數(shù)等性狀變異系數(shù)也較大，說明在育種的過程中這幾個性狀可以通過雜交、連續(xù)選擇的手段達到改良的目的；一次分枝數(shù)、千粒重、角果長度和株高等農(nóng)藝性狀變異系數(shù)較小，但最小的變異系數(shù)也大于15%，說明供試的矮桿材料存的農(nóng)藝性狀在豐富的遺傳變異，可為矮桿油菜育種親本材料選擇的重要資源群體。

從相關(guān)性分析來看：株高與產(chǎn)量、有效分枝高度、主花序長度、主花序角果數(shù)呈正相關(guān)，該結(jié)果與前人結(jié)果一致[12, 13]，在矮桿油菜育種親本選擇則過程中選擇分枝高度較低的材料或許可以有效降低株高，同時降低株高也可使主花序角果數(shù)和主花序長度下降，降低油菜的株高可能會降低單株產(chǎn)量，而主花序長度和主花序角果數(shù)下降也可能會使產(chǎn)量下降[14]，因此在矮桿油菜品種選育的過程中要平衡株高、主花序長度和主花序角果數(shù)三者之間的關(guān)系。

對主要農(nóng)藝性狀進行主成分分析，既能把握群體綜合性狀表型，又能簡化育種中材料選擇的程序，通過主成分分析可有效剔除一些影響較小的因子，使得結(jié)果更加精確，更具有參考價值[15]。通過主成分分析，將供試材料的主要農(nóng)藝性狀指標轉(zhuǎn)化為5個主成分，分別為株高因子、角果密度因子、千粒重因子、有效分枝高度因子和每角粒數(shù)因子。前5個主成分的累計貢獻率達80.42%，其表達出的綜合信息能夠反映出所研究的10個農(nóng)藝性狀的絕大部分遺傳信息。本研究獲得的主成分因子及貢獻率與前人研究的不盡相同：倪正斌[16]的研究中主成分因子為角果數(shù)因子、角果粒數(shù)因子和一次分枝數(shù)因子，張文英[17]等人將農(nóng)藝性狀綜合為了產(chǎn)量因子、株高因子、一次分枝數(shù)因子和主花序長度因子四個主成分因子，鄭本川[12]將213份的親本材料的10個農(nóng)藝性狀綜合為株高因子、每角粒數(shù)因子、分枝高度因子和一次分枝數(shù)因子。這種差異的原因可能是所用材料群體的不同和種植環(huán)境的差異所導(dǎo)致[18～20]。

4 討論

對種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的鑒定和分析是研究種質(zhì)資源最基本的方法和途徑[21]。相關(guān)性分析是科學(xué)評估種質(zhì)資源的重要手段，該方法可明晰農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性，進而指導(dǎo)育種人員在親本材料選擇的過程中能更好的平衡個性狀間的關(guān)系并且提高育種效率。目前，已有許多有關(guān)農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀[22, 23]的分析表明，株高、角果數(shù)、主花序長度、角粒數(shù)與產(chǎn)量相關(guān)，作為選擇高產(chǎn)育種的親本材料的參考[23-25]，菜籽的含蛋白量和含油量之間呈現(xiàn)顯著的負相關(guān)，對高含油量育種有指導(dǎo)意義[26, 27]，許晶等人對270份材料進行耐漬性鑒定得出長江下游的材料耐漬性更強[28]，許媛君等對白菜型油菜進行抗旱性鑒定篩選出了抗旱性材料[29]，通過對油菜種質(zhì)資源材料農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀和抗性的分析鑒定可篩選到符合育種目的的親本材料，提高育種效率。

種質(zhì)資源創(chuàng)新豐富的過程中可以將近源種中的優(yōu)良性狀轉(zhuǎn)移到栽培油菜中，豐富油菜的遺傳基礎(chǔ)，為培育優(yōu)質(zhì)品種提供物質(zhì)基礎(chǔ)。在油菜種質(zhì)資源創(chuàng)新的研究中已通過遠緣雜交證明了甘藍型油菜是白菜與甘藍雜交再經(jīng)染色體加倍而成的，戴興臨等人進行了油菜和蔊菜[30]、與諸葛菜[31]、薺菜和菘藍[32]之間遠緣雜交，取得了一定成效。在以后的研究中，可嘗試將主要油菜親本材料與其他矮桿的物種進行雜交選育，或可豐富油菜矮桿資源，為油菜育種提供新的物質(zhì)基礎(chǔ)。