灰色關(guān)聯(lián)度分析和主成分分析在油菜抗旱育種中的應(yīng)用

李小玉， 田宏先， 王瑞霞

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.，2 n=36，AABB)屬十字花科(Brassicaecea)蕓薹屬(Brassica)，一年生草本，其抗寒耐旱、耐瘠薄，粗脂肪含量高，在我國(guó)種植面積和產(chǎn)量占全世界的三分之一[1]。我國(guó)油菜栽培歷史悠久，總體上產(chǎn)量水平較低，當(dāng)前油菜育種的主要目標(biāo)仍是優(yōu)選抗旱品種、提高產(chǎn)量和提升品質(zhì)。山西晉北地區(qū)地形復(fù)雜，氣候特殊，蘊(yùn)藏著豐富的芥菜型油菜種質(zhì)資源。

干旱制約著作物的生長(zhǎng)發(fā)育。產(chǎn)量的高低是植物抗旱程度最直接的表達(dá)[2]。水分脅迫嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育、生理和產(chǎn)量[3]。晉北山區(qū)地處干旱和半干旱地區(qū)，就耕地而言，有灌溉條件的為10%～15%，多為雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)。因此，篩選和應(yīng)用抗旱品種來(lái)提高逆境下的油菜產(chǎn)量應(yīng)是芥菜型春油菜節(jié)水栽培的重要措施之一。越來(lái)越多的學(xué)者把注意力集中在探究農(nóng)作物如何抵抗干旱脅迫并提高其抗逆水平的機(jī)制上[4]。李素等[5]研究發(fā)現(xiàn)，油菜可以通過(guò)4種途徑來(lái)響應(yīng)干旱脅迫；白鵬等[6]研究發(fā)現(xiàn)，油菜可以通過(guò)提高某些性狀的含量來(lái)提高干旱水平下的單株產(chǎn)量；大次卓嘎等[7]對(duì)西北地區(qū)芥菜型油菜產(chǎn)量性狀的提高進(jìn)行了研究；殷婷等[8]對(duì)油菜抗旱性產(chǎn)量指標(biāo)和抗旱品種進(jìn)行篩選。

上述油菜抗旱性鑒定綜合評(píng)價(jià)多是在溫室或旱棚里進(jìn)行且指標(biāo)單一。為此，本試驗(yàn)通過(guò)大田環(huán)境下干旱和正常澆水兩種處理，對(duì)12份芥菜型油菜種質(zhì)材料從苗期到成熟期17個(gè)綜合指標(biāo)進(jìn)行分析，利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法研究干旱脅迫對(duì)芥菜型油菜單株產(chǎn)量影響的主次關(guān)系，以期為油菜干旱脅迫下單株產(chǎn)量的提高提供選育性狀指標(biāo)，同時(shí)利用主成分分析法對(duì)耐旱系數(shù)進(jìn)行了分析，為抗旱品種選育和區(qū)域栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與處理

選用12個(gè)芥菜型油菜品種(系)為試材，分別為牛尾梢、05-11-2、晉油6號(hào)、內(nèi)蒙大黃芥、青海溴源芥、青海大辣芥、晉油14號(hào)、神池大黃芥、晉油8號(hào)、自選X0、晉油12號(hào)和晉油13號(hào)，用Ki(i=1，2，3，12)表示品種編號(hào)，分別標(biāo)記為K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11和K12。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2018年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高寒區(qū)作物研究所毛皂試驗(yàn)基地進(jìn)行。設(shè)正常澆水(ck)和干旱脅迫(D)兩種處理，試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)面積12 m2，3次重復(fù)。于5月1日同時(shí)播種，對(duì)照處理在油菜抽薹期、花期和角果期分別澆透水。干旱脅迫處理在油菜整個(gè)生育期間不澆水，在5—8月間利用物聯(lián)化土壤水分溫度檢測(cè)儀(智墑ET 100)同步監(jiān)測(cè)同一位置10～40 cm土壤平均水分含量(表1)。由于本年度在油菜生長(zhǎng)期間有效降雨少，造成自然條件下的干旱脅迫。

表1 油菜生長(zhǎng)期間干旱處理組10～40 cm土壤平均水分含量

1.3 不同性狀的測(cè)定與方法

1.3.1油菜光合生理參數(shù)的測(cè)定

參照王瑞霞等[9]的方法。

1.3.2成熟期農(nóng)藝性狀的測(cè)定

考種時(shí)每個(gè)品種選取長(zhǎng)勢(shì)基本一致的10個(gè)單株，最后取平均值。參照鄧聚龍[10]灰色系統(tǒng)理論測(cè)定方法，將12份油菜品種單株產(chǎn)量和16個(gè)主要性狀因素看作1個(gè)灰色系統(tǒng)，設(shè)單株產(chǎn)量為參考數(shù)列；盛花期測(cè)定的6個(gè)光合參數(shù)指標(biāo)和考種的11個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)作為比較數(shù)列，用Xj(j=1，2，3，……16)表示，分別為胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔限制值、株高、莖粗、有效分枝數(shù)、主軸上的角果數(shù)、全株角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重、主軸長(zhǎng)、角果長(zhǎng)和角果寬，然后運(yùn)用Excel軟件按分辨系數(shù)為0.5進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。

1.3.3數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

灰色系統(tǒng)理論計(jì)算方法參照楊國(guó)浪等[11]的方法；

Xj′(Ki)=[Xj(Ki)-Xj]/Sj

(1)

Δj(Ki)=|X0(Ki)-Xj(Ki)|

(2)

εj(Ki)=[Δj(Ki)min+ρ×Δj(Ki)max]/[Δj(Ki)+ρ×Δj(Ki)max]

(3)

Xj′(Ki)為數(shù)據(jù)無(wú)量綱化結(jié)果，Xj(Ki)為原始數(shù)據(jù)，Xj為同一性狀的平均值，Sj為某一性狀的標(biāo)準(zhǔn)差，Δj(Ki)為某一品種單株產(chǎn)量與每個(gè)農(nóng)藝性狀差值的絕對(duì)值，X0(Ki)為某一品種Ki的單株產(chǎn)量值，Xj(Ki)為某一品種Ki的農(nóng)藝性狀，εj(Ki)表示關(guān)聯(lián)系數(shù)，Δj(Ki)表示絕對(duì)差值，ρ表示分辨系數(shù)(取值0.5)，Δj(Ki)max和Δj(Ki)min分別表示最大差值和最小差值(干旱為3.33，0.00；對(duì)照為3.62，0.02)。

耐旱系數(shù)=(干旱脅迫性狀值/非脅迫性狀值)×100%

(4)

數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 22.0軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下不同性狀與單株產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

干旱脅迫處理下，每個(gè)品種的單株產(chǎn)量與16個(gè)性狀的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果如表2，關(guān)聯(lián)度值從大到小依次為：株高、主軸長(zhǎng)、莖粗、主軸上角果數(shù)、全株角果數(shù)、角果寬、有效分枝數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重、角果長(zhǎng)、凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度。

表2 各性狀與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度及位次(干旱處理)

干旱脅迫下，根據(jù)各性狀與單株產(chǎn)量間關(guān)聯(lián)的密切程度，可將上述性狀大致分為3類：第1類是和植株生長(zhǎng)、產(chǎn)量有關(guān)的農(nóng)藝性狀，它們與干旱脅迫下單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)程度十分緊密；株高，可以概括為繁茂性因子。莖桿作為物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ溃苯佑绊懼仓陠沃曜蚜５陌l(fā)育，進(jìn)而影響植株的單株產(chǎn)量，所以莖桿是和單株產(chǎn)量相關(guān)的性狀，可以大致概括為“物質(zhì)轉(zhuǎn)儲(chǔ)因子”。植株有效分枝數(shù)、全株的角果數(shù)、主軸上的角果數(shù)、角果長(zhǎng)、每角粒數(shù)、千粒重等性狀可以概括為產(chǎn)量因子；第2類是凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度，這些指標(biāo)與植株的光合生理作用息息相關(guān)，可以概括為光合生長(zhǎng)因子，與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)程度較為緊密；第3類是蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度，與水分散失和滲透調(diào)節(jié)作用有關(guān)，可稱為“水分和滲透調(diào)節(jié)因子”。這一結(jié)果表明，干旱脅迫下與油菜單株產(chǎn)量關(guān)系最為密切的是反應(yīng)植株生長(zhǎng)和產(chǎn)量的因子，其次是光合作用因子；它們?cè)跁x北地區(qū)芥菜型春油菜受到干旱脅迫時(shí)所受的影響最大，在優(yōu)選抗旱品種時(shí)應(yīng)注重株高、主軸長(zhǎng)、主軸上角果數(shù)等性狀，干旱脅迫時(shí)，在對(duì)晉北山區(qū)芥菜型春油菜品種選育和栽培的過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)觀察與單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)密切且表現(xiàn)穩(wěn)定的指標(biāo)，如植株形態(tài)因子(有效分枝數(shù)、株高、莖粗)、產(chǎn)量三因素構(gòu)成因子(全株有效角果數(shù)、每角粒數(shù)、千粒重)、光合生長(zhǎng)因子(凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度)，從而為篩選出適宜晉北山區(qū)生產(chǎn)的高產(chǎn)新品種。

2.2 正常灌溉下不同性狀與單株產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

在正常灌溉下(表3)，16個(gè)性狀和單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度值從大到小依次為：胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、有效分枝數(shù)、角果寬、主軸上角果數(shù)、氣孔限制值、莖粗、每角粒數(shù)、水分利用率、主軸長(zhǎng)、凈光合速率、全株角果數(shù)、千粒重、角果長(zhǎng)和株高。由此可知，和葉片氣孔有關(guān)的胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率3個(gè)生理性狀與單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)程度十分緊密，排在前3位，其余各性狀與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度小。這一結(jié)果說(shuō)明，在正常灌溉下，植株通過(guò)光合作用更能有效積累有機(jī)物，從而提高單株產(chǎn)量。

表3 各性狀與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度及位次(正常灌溉ck)

2.3 干旱脅迫下6個(gè)光合參數(shù)和10個(gè)農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性

以干旱脅迫處理的16個(gè)性狀之一為參考數(shù)列，其他性狀為比較數(shù)列，計(jì)算關(guān)聯(lián)度和關(guān)聯(lián)系數(shù)，獲得關(guān)聯(lián)度矩陣，見表4?？梢钥闯?，與單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)密切的前9個(gè)農(nóng)藝性狀中，其他農(nóng)藝性狀與這9個(gè)農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)性表現(xiàn)為：和株高關(guān)聯(lián)密切的前3個(gè)性狀為：主軸長(zhǎng)、每角粒數(shù)、主軸上有效角果數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最小；和主軸長(zhǎng)相關(guān)密切的前4個(gè)性狀是：主軸上有效角果數(shù)、每角粒數(shù)、氣孔限制值、千粒重，其中與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最小；和莖粗相關(guān)密切的前6個(gè)性狀是：全株角果數(shù)、千粒重、主軸長(zhǎng)、水分利用率、主軸上有效角果數(shù)、每角粒數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最小；和主軸上有效角果數(shù)關(guān)聯(lián)密切的5個(gè)性狀依次為：主軸長(zhǎng)、胞間CO2濃度、株高、每角粒數(shù)、千粒重，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最?。缓腿杲枪麛?shù)關(guān)聯(lián)密切6個(gè)性狀分別為：莖粗、千粒重、氣孔限制值、株高、每角粒數(shù)、主軸上有效角果數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最?。缓团c角果寬關(guān)聯(lián)密切的5個(gè)是主軸長(zhǎng)、株高、千粒重、角果長(zhǎng)、主軸上有效角果數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最??；和有效分枝數(shù)關(guān)聯(lián)密切的前4個(gè)性狀分別為：株高、主軸有效角果數(shù)、主軸長(zhǎng)、莖粗，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最小；和每角粒數(shù)相關(guān)密切的前5個(gè)性狀是：主軸長(zhǎng)、千粒重、株高、水分利用率、主軸上有效角果數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最?。缓颓ЯＶ叵嚓P(guān)密切的前5個(gè)是：主軸長(zhǎng)、胞間CO2濃度、氣孔限制值、每角粒數(shù)、主軸上有效角果數(shù)，與氣孔導(dǎo)度的關(guān)聯(lián)度最小；通過(guò)上述分析表明，在干旱脅迫處理下，芥菜型春油菜單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度最為密切的前3個(gè)性狀是：主軸長(zhǎng)、主軸上有效角果數(shù)和每角粒數(shù)，聯(lián)系最不緊密的性狀是氣孔導(dǎo)度。研究發(fā)現(xiàn)，主軸長(zhǎng)、每角粒數(shù)、千粒重和主軸上有效角果數(shù)這4個(gè)性狀是其他性狀共有的關(guān)聯(lián)度緊密因子，可以理解為這4個(gè)農(nóng)藝性狀因子是干旱脅迫下與其他性狀聯(lián)系最緊密的重要性狀，進(jìn)一步說(shuō)明油菜單株產(chǎn)量的提升是多個(gè)農(nóng)藝性狀因子共同作用的結(jié)果。氣孔導(dǎo)度與各農(nóng)藝性狀聯(lián)系不緊密，光合作用的有效進(jìn)行是通過(guò)葉片表面的氣孔來(lái)進(jìn)行氣體的交換，吸收CO2，釋放O2，進(jìn)而積累有機(jī)物，提高油菜單株產(chǎn)量；干旱脅迫下，葉片氣孔關(guān)閉，氣孔導(dǎo)度與各農(nóng)藝性狀聯(lián)系不緊密源于植物長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)逆境的一種適應(yīng)能力，通過(guò)降低蒸騰速率來(lái)保護(hù)植株度過(guò)逆境。

表4 6個(gè)光合參數(shù)和10個(gè)農(nóng)藝性狀的關(guān)聯(lián)度矩陣

2.4 干旱脅迫下各指標(biāo)主成分分析

為確定對(duì)芥菜型春油菜耐旱材料起主導(dǎo)作用的重要指標(biāo)，利用SPSS 22.0軟件對(duì)干旱脅迫下17個(gè)性狀的耐旱系數(shù)進(jìn)行主成分分析(見表5)。從表中看到，在干旱脅迫處理中，主成分1、2、3、4、5對(duì)耐旱系數(shù)的貢獻(xiàn)率分別為23.827%、23.725%、15.237%、14.328%、10.269%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.386%，表明在干旱脅迫處理中，前5個(gè)綜合指標(biāo)覆蓋了大部分原始數(shù)據(jù)的信息，可以用這5個(gè)主成分對(duì)12份材料耐旱性進(jìn)行分析。

表5 干旱主成分特征向量及貢獻(xiàn)率

主成分1 中載荷最高的因子為氣孔導(dǎo)度，其次為凈光合速率、胞間CO2濃度、水分利用率，它們反映了23.827%的原始數(shù)據(jù)信息量，這些指標(biāo)主要與植物葉片的光合作用有關(guān)，將其歸為光合因子，胞間CO2濃度、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率、水分利用率的增加有利于芥菜型油菜耐旱性的提高；決定第二主成分大小的主要是全株角果數(shù)、單株產(chǎn)量、株高與莖粗，它們反映了原始數(shù)據(jù)信息量的19.744%，全株角果數(shù)和單株產(chǎn)量主要與產(chǎn)量有關(guān)，可以大致概括為產(chǎn)量因子；決定第三主成分大小的是有效分枝數(shù)和主軸上角果數(shù)，這些指標(biāo)可以間接反應(yīng)植株的產(chǎn)量，也歸為產(chǎn)量因子；決定第四、五主成分大小的是莖粗、株高、主軸長(zhǎng)、角果寬和角果長(zhǎng)，這些成分都與植株生長(zhǎng)有關(guān)，可以將其概括為生長(zhǎng)形態(tài)因子。

3 討 論

近年來(lái)，培育高產(chǎn)、抗旱油菜新品種一直是育種工作者努力的方向。由于作物耐旱基因和控制產(chǎn)量性狀基因分屬植株不同的基因位點(diǎn)，因此將高產(chǎn)和耐旱兩性狀相結(jié)合的選育是可以實(shí)現(xiàn)的[12]。本研究為了避免構(gòu)造理想品種各性狀的理想值時(shí)對(duì)分析造成的影響[13-14]，將6個(gè)光合參數(shù)指標(biāo)和11個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)共同置于灰色系統(tǒng)中，在大田干旱和正常灌溉條件下，對(duì)12份芥菜型油菜的17個(gè)性狀進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析。

分析結(jié)果表明，干旱脅迫下與單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度聯(lián)系緊密的是主軸長(zhǎng)、每角粒數(shù)、千粒重和主軸上有效角果數(shù)這4個(gè)性狀。主軸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，主軸上的有效角果數(shù)相對(duì)就越多，從而增加全株角果數(shù)，也就直接提高了單株產(chǎn)量，這一結(jié)果與楊國(guó)浪等[11]、大次卓嘎等[7]的研究結(jié)果一致。因此在晉北區(qū)芥菜型春油菜高產(chǎn)育種栽培中，應(yīng)加強(qiáng)這些性狀的優(yōu)選力度。

在正常灌溉條件下，葉片氣孔相關(guān)的光合生理性狀與單株產(chǎn)量聯(lián)系緊密，各農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量聯(lián)系不緊密，其中株高與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度最小，這一結(jié)果與武仙山等[15]利用株高旱脅迫系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)植株抗旱性時(shí)提出的觀點(diǎn)一致，與倪正斌等[16]的研究結(jié)果差異較大，有待繼續(xù)試驗(yàn)。

作物耐旱機(jī)理非常復(fù)雜，受到遺傳和環(huán)境的雙重影響。因而利用單一評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)作物對(duì)逆境的生理響應(yīng)，而利用多指標(biāo)隸屬函數(shù)法評(píng)價(jià)作物耐旱性時(shí)，雖能更全面地反映作物耐旱所表現(xiàn)的眾多耐旱相關(guān)性狀、但也存在一定的局限性[17]。近年來(lái)人們開始采用綜合評(píng)價(jià)方法來(lái)鑒定品種的耐旱性，使鑒定結(jié)果更接近品種實(shí)際的耐旱性，因此，可以利用這種方法對(duì)油菜抗旱種質(zhì)和品系的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并為這些種質(zhì)在育種中的合理利用和品系的區(qū)域適應(yīng)性提供有價(jià)值的建議。

朱宗河等[17]利用綜合評(píng)價(jià)方法篩選出2個(gè)高度耐旱的甘藍(lán)型油菜種質(zhì)資源。謝小玉等[18]采用綜合評(píng)價(jià)方法篩選出油菜抗旱種質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究主成分分析研究表明，前5個(gè)指標(biāo)占比87.386%，分別為光合因子、產(chǎn)量因子、植株形態(tài)生長(zhǎng)因子，這些性狀能反映絕大部分耐旱信息。結(jié)果表明，光合因子可以作為耐旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的首選性狀因子，這一結(jié)果與白鵬等[6]的研究結(jié)論一致。鑒于此可以利用這些主成分性狀因子來(lái)鑒定當(dāng)?shù)亟娌诵痛河筒似贩N的抗旱性，進(jìn)而為晉北區(qū)篩選出適宜當(dāng)?shù)胤N植的芥菜型油菜抗旱材料。