基于主成分與聚類分析的甘蔗新品種（系）主要農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的評價(jià)

譚秦亮 朱鵬錦 李穆 程琴 周全光 龐新華

摘要 為了揭示不同甘蔗品種（系）的大田性狀特性，分析新植蔗及宿根蔗農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀變化特點(diǎn)。以新臺(tái)糖22號（ ROC22）為對照（ CK），對10份甘蔗品種（系）進(jìn)行1年新植和1年宿根的品比試驗(yàn)，并對株高、莖徑、有效莖數(shù)、蔗糖分等17個(gè)農(nóng)藝指標(biāo)進(jìn)行變異系數(shù)、相關(guān)性、主成分分析及聚類分析。結(jié)果表明：新植蔗與宿根蔗變異系數(shù)變幅分別為4.89%～23.89%和4.06%～22.77%。各性狀間存在較高相關(guān)性，在新植蔗中蔗莖產(chǎn)量與出苗率、有效莖數(shù)及產(chǎn)糖量呈極顯著正相關(guān)，產(chǎn)糖量與出苗率、有效莖數(shù)呈顯著正相關(guān);在宿根蔗中蔗莖產(chǎn)量與產(chǎn)糖量呈極顯著正相關(guān)，與莖徑呈顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析得出，新植與宿根均可分為3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率分別為90.365%和84.177%;第1主成分和第2主成分與甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)，其中單莖重、有效莖數(shù)和蔗糖分是影響甘蔗產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素;在歐式距離為10的水平上，10個(gè)甘蔗材料可以分為3大類，其中第Ⅲ大類的4個(gè)參試材料表現(xiàn)出有效莖數(shù)適中、宿根性強(qiáng)等特性。綜上所述，桂熱2號具有有效莖數(shù)適中、產(chǎn)量高及宿根性強(qiáng)等特點(diǎn)，可在廣西南寧蔗區(qū)，特別是在良圻蔗區(qū)推廣種植。

關(guān)鍵詞 甘蔗;農(nóng)藝性狀;產(chǎn)量;主成分分析;聚類分析

中圖分類號 S566.1???? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A????? DOI：10.12008/j.issn.1009-2196.2022.03.007

Evaluation of Main Agronomic and Yield Traits of New Sugarcane Varieties （Lines） Based on Principal Component and Cluster Analysis

TAN Qinliang? ZHUPengjin? LI Mu? CHENG Qin? ZHOU Quanguang? PANG Xinhua

（Guangxi Subtropical Crops Research Institute， Nanning， Guangxi 530001， China）

Abstract? In order to reveal the field characteristics of different sugarcane varieties （lines）， the changes of agronomic and yield traits of newly planted and ratoon sugarcane were analyzed. Ten sugarcane varieties （lines） were selected for evaluation with ROC22 as control （CK）， and 17 agronomic indexes， such as plant height， stem diameter， effective stem number， sucrose content， etc， were analyzed by using coefficient of variation， correlation， principal component analysis and cluster analysis. The results showed that the variation coefficients of the newly planted and ratoon sugarcane of the sugarcane varieties/lines were 4.89%-23.89% and 4.06%-22.77%， respectively. There was a high correlation between the traits. For the newly planted sugarcane， cane yield was highly significantly positively correlated with seedling emergence rate， effective stem number and sugar yield， and sugar yield was significantly positively correlated with seedling emergence rate and effective stem number. For the ratoon sugarcane， sugarcane stem yield had a highly significant positive correlation with sugar yield， and a significant negative correlation with stem diameter. Principal component analysis showed that the newly planted and ratoon sugarcane could be divided into three principal components， with their respective cumulative contribution of 90.365% and 84.177%. The first and second principal components were closely correlated with sugarcane yield and quality， among which single stem weight， number of effective stems and sucrose content are important factors affecting sugarcane yield and quality. At the level of Euclidean distance of 10， the 10 sugarcane varieties （lines） can be divided into three categories， of which four sugarcane varieties （lines） in the category III have moderate number of effective stems and strong ratooning. In conclusion Guire 2 has moderate number of effective stems， high yield and strong ratooning ability， and can be popularized in the sugarcane produc- ing areas of Nanning， Guangxi， especially in the Liangqi sugarcane producing area.

隨著國民生活水平的不斷提高以及甘蔗種植栽培技術(shù)的飛速發(fā)展，我國甘蔗的種植面積現(xiàn)穩(wěn)居世界第三位，僅次于巴西和印度。種植區(qū)域多分布在廣西、云南、廣東、海南、福建等地區(qū)，其中廣西的甘蔗種植面積超過全國甘蔗種植面積的60%以上，產(chǎn)糖量占我國食糖總產(chǎn)量的90%以上[1]，對保證我國食糖生產(chǎn)和供需有至關(guān)重要的作用。目前，廣西農(nóng)墾良圻蔗區(qū)作為南寧地區(qū)的主要蔗區(qū)，甘蔗種植面積維持在0.55萬hm2左右，種植品種主要有新臺(tái)糖22號、桂糖42號、桂柳 05-136和桂糖46號等，其中新臺(tái)糖22號仍然是該地區(qū)的當(dāng)家品種[2]。該品種在廣西的種植時(shí)間已近20年，種性和抗性嚴(yán)重退化，病蟲害發(fā)生嚴(yán)重尤其是宿根蔗的黑穗病，導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量難以保證和提高[3]。因此，甘蔗新品種的選育與推廣成為當(dāng)務(wù)之急。影響甘蔗產(chǎn)量的構(gòu)成因子較多，主要受品種自帶的遺傳種性[4-6]、大田管理和病蟲害防治[7]、種植栽培技術(shù)[8]等因素影響;由于高產(chǎn)優(yōu)良甘蔗新品種選育周期長，因此，遵循科學(xué)的選種方法，結(jié)合不同地區(qū)的氣候特點(diǎn)、生態(tài)環(huán)境等因素進(jìn)行分析，開展不同甘蔗新品種的適應(yīng)性試種試驗(yàn)成為推廣新品種的有效方法。主成分分析旨在利用降維的思想，將原本個(gè)數(shù)較多的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的少數(shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)（主成分），其中每個(gè)主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)。聚類分析的目標(biāo)是在相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)來分類，衡量不同數(shù)據(jù)源間的相似性，并把數(shù)據(jù)源分類到不同的簇中。主成分分析與聚類分析是農(nóng)業(yè)研究中重要的統(tǒng)計(jì)分析方法[9]，在小麥[10]、水稻[11]、高粱[12]和大麥[13]等作物中均有應(yīng)用，在甘蔗上也早有應(yīng)用[14-16]，且取得了良好的效果。在育種工作綜合評價(jià)中，僅通過某一個(gè)性狀的表現(xiàn)（比如產(chǎn)量性狀）對品種進(jìn)行綜合評價(jià)往往會(huì)對結(jié)果造成誤差，以致失去某些具有推廣潛力的品種（系）。為加快新品種選育進(jìn)程，運(yùn)用變異系數(shù)、相關(guān)性分析、主成分分析相結(jié)合的方法，更能快速準(zhǔn)確地篩選出優(yōu)異種質(zhì)。本研究以廣西當(dāng)前主推品種及廣西亞熱帶作物研究所自育的優(yōu)質(zhì)品系10個(gè)材料（含對照 ROC22）為研究對象，通過變異性、相關(guān)性、主成分與聚類分析對其新植和宿根蔗的株高、莖徑、有效莖數(shù)、田間錘度、蔗莖產(chǎn)量和產(chǎn)糖量等17個(gè)主要農(nóng)藝指標(biāo)進(jìn)行考察，以期揭示各農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量構(gòu)成因子間的相關(guān)性與特征規(guī)律，為選育出適合廣西南寧蔗區(qū)種植的優(yōu)質(zhì)甘蔗種質(zhì)材料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗(yàn)參試材料 10個(gè)，以新臺(tái)糖22號（ROC22）為對照，詳見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)于2016年3月至2018月

2月在廣西農(nóng)墾良圻農(nóng)場試驗(yàn)基地（22°20 N，109°14 E）進(jìn)行。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)品種設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)小區(qū)為一個(gè)重復(fù)，每小區(qū)5行，行長7 m ，行距1.2 m，小區(qū)面積42 m2。下種密度為10.5芽/m。

1.2.2 項(xiàng)目測定

1.2.2.1 農(nóng)藝性狀新植蔗生長初期調(diào)查出苗率及分蘗率，出苗率=（出苗數(shù)/下種芽數(shù)）×100%，分蘗率=（單位面積分蘗總苗數(shù)/單位面積種苗出苗總數(shù)）×100%;宿根蔗生長初期調(diào)查發(fā)株率，發(fā)株率=（單位面積新植蔗有效莖數(shù)/單位面積宿根蔗出苗總數(shù)）×100%。

1.2.2.2 產(chǎn)量性狀2017年3月（新植）和2018年2月（宿根）收獲前對株高、莖徑、錘度、有效莖等指標(biāo)進(jìn)行調(diào)查與測定。有效莖：調(diào)查每小區(qū)1.3 m 以上的莖數(shù)，作為有效莖數(shù)，計(jì)算每公頃有效莖;株高：每小區(qū)選擇連續(xù)甘蔗15株，測量株高，計(jì)算平均值;莖徑、錘度：與調(diào)查株高同步進(jìn)行，每小區(qū)用卡尺順序測量15株蔗莖及錘度，計(jì)算平均值。甘蔗理論產(chǎn)量（t/hm2）=甘蔗單莖重×有效莖（條/hm2）;單莖重（kg）=0.7854×（株高–30）×莖徑2×比重/1000;甘蔗蔗糖分（%）=1.0825×田間錘度–7.703;含糖量（t/hm2）=甘蔗理論產(chǎn)量×糖分含量（%）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理采用 Excel 2016和 SPSS15.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，采用 Pearson 進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的變異性分析

變異系數(shù)是衡量性狀變異的數(shù)量指標(biāo)，主要受到標(biāo)準(zhǔn)差和平均數(shù)的影響。表2顯示，試驗(yàn)材料性狀指標(biāo)的變異系數(shù)變化幅度比較大，為 4.06%～23.89%。新植蔗9個(gè)指標(biāo)中變異最大的是分蘗率，變異系數(shù)達(dá)到23.89%;其次為出苗率、單莖重、有效莖，株高的變異系數(shù)最小，僅為 4.89%。宿根蔗8 個(gè)指標(biāo)中變異最大的為蔗莖產(chǎn)量，變異系數(shù)為22.77%;其次為產(chǎn)糖量、有效莖數(shù)、發(fā)株率，莖徑的變異系數(shù)最小，僅為4.06%。

2.2 主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量指標(biāo)的相關(guān)性分析

由表3可以看出，在新植蔗中蔗莖產(chǎn)量與出苗率、有效莖數(shù)、產(chǎn)糖量呈極顯著正相關(guān)，說明對蔗莖產(chǎn)量影響最大的因素為出苗率和有效莖數(shù)，蔗莖產(chǎn)量對產(chǎn)糖量影響最大。產(chǎn)糖量與出苗率、有效莖數(shù)呈顯著正相關(guān)，說明這2個(gè)指標(biāo)對產(chǎn)糖量的影響較大。其他的指標(biāo)之間相關(guān)性主要表現(xiàn)為：株高與蔗糖分呈顯著正相關(guān);莖徑與單莖重呈極顯著正相關(guān)，與有效莖呈顯著負(fù)相關(guān)，與出苗率呈極顯著負(fù)相關(guān);單莖重與有效莖數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與出苗率呈極顯著負(fù)相關(guān);有效莖數(shù)與出苗率呈顯著正相關(guān);蔗糖分與分蘗率呈顯著負(fù)相關(guān)。

在宿根蔗中，蔗莖產(chǎn)量與產(chǎn)糖量呈極顯著正相關(guān)，與莖徑呈顯著負(fù)相關(guān);蔗糖分與單莖重呈極顯著正相關(guān)，與株高呈顯著正相關(guān);莖徑與單莖重呈顯著正相關(guān)，說明莖徑對單莖重有很大的影響。綜合新宿蔗數(shù)據(jù)可見，若要選育出高產(chǎn)高糖的甘蔗品種，在選育種過程中不僅需要選擇中大莖、單莖重及甘蔗蔗糖分較高的材料，而且需要兼顧株高及其他農(nóng)藝指標(biāo)。

2.3 農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀的主成分分析

由表4可知，前3個(gè)主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的90.365%，反映了絕大部分信息量。根據(jù)特征值和各成分的貢獻(xiàn)值可以看出，第一主成分主要包括了出苗率、分蘗率、有效莖數(shù)、蔗莖產(chǎn)量及產(chǎn)糖量等信息，其中出苗率的特征值最大，為0.944，主要反映了試驗(yàn)材料的產(chǎn)量及產(chǎn)糖量性狀，概括為產(chǎn)量和產(chǎn)糖量因子;第二主成分主要包括了株高及甘蔗蔗糖分的信息，主要反映了試驗(yàn)材料的農(nóng)藝及糖分性狀，概括為農(nóng)藝及品質(zhì)因子;第三主成分代表了莖徑及單莖重的信息，其中莖徑的特征值最大，為0.447，概括為農(nóng)藝因子。

宿根蔗8個(gè)性狀指標(biāo)主成分分析結(jié)果見表4。前3 個(gè)主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的84.177%，反映了絕大部分信息量。根據(jù)特征值和各成分的貢獻(xiàn)值可以看出，第一主成分主要綜合了莖徑、單莖重及甘蔗蔗糖分等信息，其中莖徑的特征值最大，為0.927，概括為農(nóng)藝及品質(zhì)因子;第二主成分主要包括了株高、蔗莖產(chǎn)量及產(chǎn)糖量的信息，其中株高的特征值最大，為0.939，概括為產(chǎn)量和產(chǎn)糖量因子;第三主成分代表了發(fā)株率及有效莖數(shù)的信息，其中發(fā)株率的特征值最大，為0.702，概括為農(nóng)藝因子。

2.4 主要農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀的聚類分析

綜合新植蔗和宿根蔗的17個(gè)性狀指標(biāo)，采用歐式距離、系統(tǒng)聚類法對10個(gè)甘蔗材料進(jìn)行聚類分析。在歐式距離10的水平上，10個(gè)甘蔗材料聚為3大類（圖1）。由圖1和表5可知，第Ⅰ 大類材料有1份，為桂糖42號，占參試材料的 10.00%，主要表現(xiàn)為新植蔗株高、單莖重及蔗糖分高等特性，宿根蔗發(fā)株率、株高、單莖重、有效莖數(shù)及甘蔗蔗糖分高等特性，屬于植株高大、宿根性良好、高糖的材料。第Ⅱ類材料有5份，分別是桂熱1號、新臺(tái)糖22號、涼蔗03-23、涼蔗02-169、桂糖46號，占參試材料的50.00%，主要表現(xiàn)為新植與宿根蔗莖徑大、宿根蔗莖產(chǎn)量及產(chǎn)糖量均良好，屬于大莖、宿根性強(qiáng)、高產(chǎn)高糖的材料;第Ⅲ類材料有4份，分別是桂熱2號、涼蔗07-53、涼蔗03-81、涼蔗02-186，表現(xiàn)出新植出苗率、分蘗率、蔗糖分、有效莖數(shù)高等特性，新植與宿根蔗均高產(chǎn)高糖，屬于有效莖適中、宿根性好、高產(chǎn)高糖的材料。

3 討論與結(jié)論

變異系數(shù)是衡量作物遺傳多樣性及自然多變環(huán)境下遺傳穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，優(yōu)良品種的選擇潛力與作物農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)相互關(guān)聯(lián)，變異系數(shù)越大，遺傳多樣性越豐富，越容易從該群體中選出優(yōu)良品種[17-20]。本研究變異系數(shù)分析表明，新植蔗分蘗率和出苗率的變異系數(shù)最大，分別達(dá)到23.89%和19.83%，其余均在4.89%～23.89%，其中株高的變異系數(shù)最小。宿根蔗蔗莖產(chǎn)量和產(chǎn)糖量的變異系數(shù)最大，分別為22.77%和22.32%，其余均在4.06%～22.77%，其中莖徑的變異系數(shù)最小。結(jié)果說明該群體的樣本間差異大，各個(gè)農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性豐富，從中選擇出優(yōu)良個(gè)體的幾率較大，這與俞華先等[21]、高三基等[22]研究基本一致。

相關(guān)性分析是為了分析多個(gè)性狀指標(biāo)間是否相關(guān)、相關(guān)程度及相關(guān)性質(zhì)的一種綜合統(tǒng)計(jì)分析方法。研究表明[23]，作物各性狀間既存在著具有促進(jìn)作用的顯著正相關(guān)，也存在著具有制約作用的顯著負(fù)相關(guān)，在進(jìn)行性狀指標(biāo)選擇時(shí)，需要注意促進(jìn)與制約相互間的關(guān)系。作物產(chǎn)量主要由產(chǎn)量構(gòu)成因素決定，如何更好地利用相互間的關(guān)系是目前育種和栽培的關(guān)鍵;在甘蔗上，最終的產(chǎn)量主要由分蘗率、株高、莖徑、單莖重、有效莖數(shù)等多個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)決定，其中有效莖數(shù)和單莖重對產(chǎn)量的貢獻(xiàn)最大。在本研究中，不同性狀間存在多重復(fù)雜的促進(jìn)或制約關(guān)系，對新植蔗的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量均有促進(jìn)作用的指標(biāo)有出苗率和有效莖，莖徑和單莖重對有效莖數(shù)有制約作用，莖徑對單莖重有促進(jìn)作用。宿根蔗的莖徑及甘蔗蔗糖分對單莖重有促進(jìn)作用，產(chǎn)量對產(chǎn)糖量有促進(jìn)作用，莖徑對產(chǎn)量有制約作用。前人研究[24-26]發(fā)現(xiàn)，在以強(qiáng)宿根、高產(chǎn)、高糖為育種目標(biāo)的前提下，更應(yīng)重視出苗率、發(fā)株率、有效莖數(shù)、株高等性狀的表現(xiàn)與篩選，同時(shí)還應(yīng)注意協(xié)調(diào)甘蔗產(chǎn)量與蔗糖分、錘度等指標(biāo)的關(guān)系，這與本研究中相關(guān)性分析結(jié)果的復(fù)雜性相似。

主成分分析表明，新植蔗第一主成分和宿根蔗第二主成分均反映的是產(chǎn)量和產(chǎn)糖量相關(guān)指標(biāo)，該成分得分越高說明材料的產(chǎn)量和產(chǎn)糖量越高;新植蔗第二主成分和宿根蔗第一主成分均反映的是農(nóng)藝和品質(zhì)相關(guān)指標(biāo)，該成分得分越高說明材料的甘蔗蔗糖分越高;新植蔗第三主成分和宿根蔗第三主成分均反映的是農(nóng)藝性狀相關(guān)指標(biāo)，該成分得分越高說明材料的新植蔗單莖重及宿根蔗有效莖數(shù)等指標(biāo)越高。新植蔗前3個(gè)因子所含信息量占比90.365%，宿根蔗前3個(gè)因子所含信息量占比84.177%，足以反映參試材料的性狀特征。系統(tǒng)聚類將10份參試材料的17個(gè)性狀指標(biāo)分為3大類群，較好地揭示了參試材料之間的性狀特點(diǎn)。3 大類群材料各有特點(diǎn)，第Ⅰ類群的材料表現(xiàn)植株高大、宿根有效莖較多、宿根產(chǎn)量偏低;第Ⅱ類群的材料表現(xiàn)為大莖，宿根產(chǎn)量及產(chǎn)糖量均良好;第Ⅲ類群的材料表現(xiàn)為有效莖數(shù)適中、宿根性強(qiáng)、產(chǎn)量及產(chǎn)糖量較高。在實(shí)際生產(chǎn)和選育種中，可依據(jù)不同類群的特點(diǎn)，選擇合適不同育種目標(biāo)的材料，從而提高各個(gè)材料的可利用性。在開展甘蔗品種篩選時(shí)，由于參試材料和研究指標(biāo)不同，不同研究者的結(jié)果也有所差異[27-29]，尤其是農(nóng)藝指標(biāo)已受到氣候、環(huán)境及種植管理技術(shù)的影響。綜上所述，10個(gè)參試品種中，第Ⅲ類群的材料桂熱2號具有有效莖數(shù)適中、產(chǎn)量高及宿根性強(qiáng)等特點(diǎn)，可在廣西南寧蔗區(qū)特別是在良圻蔗區(qū)推廣種植。

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（責(zé)任編輯 林海妹）