基于主成分分析和聚類(lèi)分析評(píng)價(jià)141份中蔗優(yōu)良品系資源

郭強(qiáng) 江清梅 何洪良 黎正英 梁永檢 秦昌鮮 唐利球

關(guān)鍵詞：甘蔗；種質(zhì)資源；主成分分析；聚類(lèi)分析

甘蔗（Saccharumspp.hybrids）是熱帶作物，原產(chǎn)于熱帶和亞熱帶地區(qū)，屬于禾本科單子葉植物，是世界上最主要的糖料作物之一[1]。我國(guó)是世界第三大甘蔗生產(chǎn)國(guó)，蔗糖總量占全國(guó)食糖總量的90%以上[2]。因此，蔗糖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)保障國(guó)家食糖安全有著舉足輕重的作用。

甘蔗雜交育種能否獲得成功，主要依賴(lài)于雜交組合的科學(xué)選配，而雜交組合的科學(xué)組配則需要對(duì)甘蔗親本材料進(jìn)行系統(tǒng)地鑒定評(píng)價(jià)[3]。目前，絕大多數(shù)甘蔗育種單位均是根據(jù)海南甘蔗育種場(chǎng)提供的親本信息進(jìn)行組配雜交組合，然后委托海南甘蔗育種場(chǎng)進(jìn)行培育雜交種子，再將獲得的雜交種子到各個(gè)育種單位種植，很大一部分雜交組合的實(shí)生苗長(zhǎng)勢(shì)非常差，完全篩選不出優(yōu)良單株。這主要是由于各育種單位的科技人員不了解親本材料在當(dāng)?shù)氐谋憩F(xiàn)，只能通過(guò)海南甘蔗育種場(chǎng)提供的親本信息和技術(shù)員自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行組配。因此，育種單位自行開(kāi)展種質(zhì)資源的收集、鑒定和評(píng)價(jià)，是提高種質(zhì)利用率和甘蔗雜交育種效率的重要保障。

目前，甘蔗種質(zhì)資源的研究最直接最基本的方法依然是表型性狀的鑒定和描述[4]，雖然分子標(biāo)記技術(shù)手段已廣泛應(yīng)用于甘蔗遺傳多樣性分析[5-9]，但是表型性狀具有簡(jiǎn)單明確、經(jīng)濟(jì)有效、數(shù)據(jù)收集簡(jiǎn)便快速、與生產(chǎn)實(shí)際聯(lián)系緊密等特點(diǎn)，具有不可替代的作用[10]。目前已有大量學(xué)者對(duì)甘蔗種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行了遺傳多樣性分析。劉新龍等[11]利用17個(gè)質(zhì)量性狀和5個(gè)數(shù)量性狀對(duì)1160份甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行了遺傳多樣性分析，結(jié)果表明，不同來(lái)源地品種群體的數(shù)量遺傳變異有較大差異，美國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、澳大利亞等3個(gè)地區(qū)的甘蔗種質(zhì)創(chuàng)新比較活躍，甘蔗品種群體表型性狀的遺傳變異主要來(lái)自來(lái)源地內(nèi)部，且不同來(lái)源地品種群體之間存在較大的基因交流。吳建濤等[4]利用35個(gè)表型性狀對(duì)116份甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行了遺傳多樣性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)粵糖系列甘蔗親本遺傳多樣性水平較高，葉片寬度和曝光后莖色多樣性非常豐富，20世紀(jì)80年代粵糖親本多樣性指數(shù)最高。趙勇等[3]采用農(nóng)藝性狀快速分級(jí)的方法對(duì)317份甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果表明，株高、莖徑、有效莖、葉部病害程度和總體生勢(shì)等是反映甘蔗種質(zhì)資源田間表現(xiàn)的重要農(nóng)藝性狀指標(biāo)。昝逢剛等[12]利用29個(gè)表型性狀對(duì)104份國(guó)外引進(jìn)甘蔗種質(zhì)進(jìn)行種間表型多樣性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，104份國(guó)外甘蔗種質(zhì)的質(zhì)量性狀多樣性十分豐富，數(shù)量性狀遺傳變異較大。毛鈞等[13]利用表型數(shù)據(jù)結(jié)合分子標(biāo)記數(shù)據(jù)對(duì)147份斑茅無(wú)性系種質(zhì)進(jìn)行分析，篩選出了16份優(yōu)良材料并構(gòu)建斑茅微核心種質(zhì)。徐超華等[14]以162份斑茅種質(zhì)資源為材料，對(duì)其表型性狀及其遺傳多樣性進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斑茅種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)整體偏低，數(shù)量性狀的遺傳變異較為豐富，群體的遺傳變異主要來(lái)自于采集地內(nèi)部，群體之間存在較大的基因交流，遺傳結(jié)構(gòu)分化不明顯。

雖然已有學(xué)者對(duì)甘蔗種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)等系列報(bào)道，但是桂西南蔗區(qū)甘蔗種質(zhì)資源收集保存、鑒定評(píng)價(jià)卻鮮有報(bào)道，導(dǎo)致桂西南蔗區(qū)甘蔗育種進(jìn)展較為緩慢。目前，桂西南蔗區(qū)主栽品種桂糖42號(hào)和柳城05136均易感黑穗病，而廣西大學(xué)選育的中蔗系列甘蔗新品系最突出的特點(diǎn)就是高抗黑穗病和高產(chǎn)[9]。本研究基于主成分分析和聚類(lèi)分析，以廣西大學(xué)引進(jìn)141份中蔗優(yōu)良品系資源為研究材料，對(duì)其表型性狀及遺傳多樣性進(jìn)行研究，以期篩選出桂西南蔗區(qū)表現(xiàn)優(yōu)異的甘蔗種質(zhì)資源，尤其是高抗黑穗病的優(yōu)異種質(zhì)，為下一步桂西南蔗區(qū)甘蔗雜交育種提供優(yōu)質(zhì)的親本。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1植物材料參試甘蔗種質(zhì)資源共141份，

均為廣西大學(xué)自主選育的中蔗優(yōu)良品系，為育種中間材料，于2019年從廣西大學(xué)引進(jìn)，所有種質(zhì)均保存于廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所甘蔗種質(zhì)資源圃中。各甘蔗種質(zhì)資源具體信息詳見(jiàn)表1。

1.1.2試驗(yàn)地概況試驗(yàn)基地位于廣西崇左市龍州縣，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤(rùn)，土壤為紅壤土，耕作層有機(jī)質(zhì)含量為2.40%～3.73%，全氮為1.36%～1.99%，速效磷為1125g/kg，速效鉀為60～130g/kg，pH4.5～6.5。前茬作物為甘蔗。

1.2方法

本試驗(yàn)于2019年6月份種植，種質(zhì)鑒定順序排列，不設(shè)重復(fù)，試驗(yàn)小區(qū)行長(zhǎng)10m，單行區(qū)，行距120cm，每行種植120芽，四周設(shè)保護(hù)行。田間管理按當(dāng)?shù)毓芾硭焦芾?。試?yàn)于2020—2021年連續(xù)2a對(duì)甘蔗種質(zhì)資源宿根蔗的株高、莖徑、有效莖數(shù)、單莖重、蔗莖產(chǎn)量、黑穗病率、蔗糖分等7個(gè)性狀進(jìn)行測(cè)量。參照《甘蔗種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[15]的方法，在甘蔗成熟期，即12份選取連續(xù)15株健康甘蔗測(cè)量株高、莖徑；調(diào)查小區(qū)內(nèi)株高1m以上的蔗株數(shù)量和黑穗病發(fā)病蔗株數(shù)量，計(jì)算每公頃有效莖數(shù)和黑穗病發(fā)病率，估算蔗莖產(chǎn)量；選取10株甘蔗，稱(chēng)量其實(shí)際總重量，計(jì)算單莖重。次年1月隨機(jī)選取6株健康甘蔗，參考李文鳳等[16]的一次旋光法測(cè)定甘蔗糖分。

1.3數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel2010軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并計(jì)算各性狀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。采用SPSS20.0軟件對(duì)各性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析，其中2個(gè)宿根季數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1遺傳多樣性分析

由表2可知，141份中蔗品系資源的表型性狀差異明顯，變異系數(shù)在7.53%～67.21%之間，其中黑穗病率的變異系數(shù)（67.21%）最大，其次是蔗莖產(chǎn)量（27.32%）、有效莖數(shù)（23.49%）、單莖重（17.20%）和蔗糖分（11.91%），均大于10%，表明這5個(gè)表型性狀具有較大的離散程度，資源類(lèi)型豐富，進(jìn)行遺傳改良的潛力較大；其他2個(gè)性狀變異系數(shù)較小，均小于10%。

2.2相關(guān)性分析

7個(gè)表型性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明（表3），蔗莖產(chǎn)量與株高、莖徑、有效莖數(shù)和單莖重呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明蔗莖產(chǎn)量與株高、莖徑、有效莖數(shù)和單莖重等產(chǎn)量性狀密切相關(guān)；單莖重與株高、莖徑呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明越是高大的品種單莖重越大；莖徑與有效莖數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與蔗糖分呈顯著負(fù)相關(guān)，蔗糖分與有效莖數(shù)呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明大莖品種的有效莖數(shù)相對(duì)小莖品種要少，蔗糖分相對(duì)較低，有效莖數(shù)多的品種蔗莖較小，蔗糖分較高；黑穗病率與蔗糖分呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明受黑穗病危害嚴(yán)重的甘蔗品種，蔗糖分顯著下降，嚴(yán)重影響甘蔗的品質(zhì)。

2.3主成分分析

對(duì)7個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，結(jié)果顯示（表4），7個(gè)表型性狀的主要信息集中在前3個(gè)主成分中，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.725%。主成分中各變量的系數(shù)是該性狀作用大小的一個(gè)主要指標(biāo)。第一主成分的特征值為2.233，方差貢獻(xiàn)率為31.905%，其特征向量中，載荷較高且為正值的性狀包括蔗莖產(chǎn)量（0.825）、單莖重（0.813）、莖徑（0.625）和株高（0.618），主要反映的是產(chǎn)量性狀。第二主成分的特征值為1.795，方差貢獻(xiàn)率為25.636%，其特征向量中，載荷較高且為正值的性狀包括有效莖數(shù)（0.832）和蔗糖分（0.662），主要反映的是莖數(shù)和品質(zhì)性狀。第三主成分的特征值為1.203，方差貢獻(xiàn)率為17.183%，其特征向量中，載荷較高且為正值的性狀包括黑穗病率（0.705）和蔗糖分（0.507），主要反映的是病害和品質(zhì)性狀。確定主成分后，計(jì)算141份中蔗品系資源的主成分綜合得分，綜合得分越大，表明該種質(zhì)的綜合表現(xiàn)越優(yōu)。

2.4聚類(lèi)分析

根據(jù)主成分綜合得分，以歐式距離平方法對(duì)141份中蔗品系資源進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析，在歐氏距離為10處可將全部種質(zhì)資源劃分為3個(gè)類(lèi)群（圖1），各類(lèi)群各性狀的平均值見(jiàn)表5。第Ⅰ類(lèi)群包括60份中蔗品系資源，該類(lèi)群主成分綜合得分高，其蔗株高大，高產(chǎn)高糖，抗病性強(qiáng)，宿根性強(qiáng)，各性狀表現(xiàn)優(yōu)異，與其他類(lèi)群相比差異顯著。第Ⅱ類(lèi)群包括10份中蔗品系資源，該類(lèi)群主成分綜合得分低，植株矮小，產(chǎn)量低，糖分低，抗病性較差，宿根性不強(qiáng)，各性狀綜合表現(xiàn)較差。第Ⅲ類(lèi)群包括71份中蔗品系資源，該類(lèi)群主成分綜合得分較低，蔗株中等，產(chǎn)量一般，蔗糖分較高，抗病性較差，宿根性一般，各性狀綜合表現(xiàn)一般。

2.5優(yōu)異種質(zhì)的挖掘

通過(guò)田間調(diào)查和統(tǒng)計(jì)分析，第Ⅰ類(lèi)群的60份中蔗品系綜合表現(xiàn)優(yōu)異，相關(guān)性狀見(jiàn)表6。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)，這60份中蔗品系高產(chǎn)高糖，抗逆性強(qiáng)，宿根性好，可作為甘蔗雜交親本加以利用。其中，中蔗153303、中蔗150505、中蔗165201和中蔗151106等4個(gè)種質(zhì)蔗糖分較高，均達(dá)到15%以上，可作為高糖親本重點(diǎn)利用。中蔗15710、中蔗160913、中蔗162026、中蔗112819、中蔗1415219、中蔗1510055、中蔗140802和中蔗151106等8個(gè)種質(zhì)表現(xiàn)出高抗黑穗病，田間調(diào)查中均未發(fā)現(xiàn)感染黑穗病，可作為抗黑穗病親本加以利用。中蔗134007、中蔗118607、中蔗167010、中蔗144101和中蔗156615等5個(gè)種質(zhì)產(chǎn)量較高，蔗莖產(chǎn)量均達(dá)到200000kg/hm2以上，可作為高產(chǎn)親本加以利用。

3討論

甘蔗種質(zhì)資源的發(fā)掘利用，是突破性育種和遺傳改良的關(guān)鍵，而種質(zhì)資源研究最基本方法則是通過(guò)表型性狀的鑒定評(píng)價(jià)，表型性狀是甘蔗雜交育種中選配親本的重要依據(jù)，選擇綜合性狀優(yōu)良的親本配制雜交組合是甘蔗雜交育種選配組合的原則之一[3，17]。桂西南蔗區(qū)恰恰是缺乏對(duì)種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)，導(dǎo)致甘蔗育種科技人員缺乏對(duì)親本材料在桂西南蔗區(qū)表現(xiàn)的了解，只能依靠海南甘蔗育種場(chǎng)提供的親本信息和技術(shù)員自身的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行組合配制，此雜交組合培育的實(shí)生苗多數(shù)表現(xiàn)出植株矮小，長(zhǎng)勢(shì)差，病害嚴(yán)重，很難選育出優(yōu)良單株。因此，本研究希望通過(guò)對(duì)141份中蔗優(yōu)良品系資源的7個(gè)表型性狀進(jìn)行分析，篩選出桂西南蔗區(qū)表現(xiàn)優(yōu)異的種質(zhì)資源，作為桂西南蔗區(qū)甘蔗雜交組合配制的優(yōu)質(zhì)親本。

遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，變異系數(shù)變化范圍在7.53%～67.21%之間，說(shuō)明甘蔗種質(zhì)資源具有豐富的遺傳變異；其中變異系數(shù)最大的是黑穗病率，說(shuō)明該性狀具有豐富的遺傳基礎(chǔ)，蘊(yùn)藏著較大的選擇潛力；而株高和莖徑的變異系數(shù)均在10%以下，說(shuō)明株高和莖徑的遺傳相對(duì)穩(wěn)定，改良空間較小。這與武晉宇等[18]（5.68%～51.55%）和羅贛豐等[19]（8.85%～67.61%）的研究報(bào)道基本一致。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，蔗莖產(chǎn)量與株高、莖徑、有效莖數(shù)和單莖重呈極顯著正相關(guān)，這與蔣洪濤等[20]的研究結(jié)果基本一致。說(shuō)明株高、莖徑、有效莖數(shù)和單莖為影響產(chǎn)量的主要性狀，尤其是有效莖數(shù)對(duì)產(chǎn)量的影響效應(yīng)最大。莖徑與有效莖數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明大莖品種往往分蘗性較差，有效莖數(shù)相對(duì)小莖品種要少。黑穗病率與蔗糖分呈極顯著負(fù)相關(guān)，據(jù)楊榮仲等[21]的研究結(jié)果表明，黑穗病的發(fā)生與甘蔗株高、莖徑、單莖重、蔗莖產(chǎn)量等不存在顯著相關(guān)性，對(duì)甘蔗產(chǎn)量無(wú)顯著影響，這與本研究結(jié)果一致，造成這一結(jié)果主要是由于受黑穗病為害的蔗株，最終整株死亡，對(duì)甘蔗株高、莖徑、產(chǎn)量影響不大，但會(huì)對(duì)蔗糖分的轉(zhuǎn)化造成嚴(yán)重影響，尤其對(duì)從側(cè)芽抽出黑穗病鞭的蔗株危害嚴(yán)重，說(shuō)明受黑穗病危害嚴(yán)重的甘蔗品種，蔗糖分顯著下降，嚴(yán)重影響甘蔗的品質(zhì)。

主成分分析法是利用降維的方法，用少數(shù)幾個(gè)主成分概括多個(gè)性狀指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析方法，用于作物表型性狀評(píng)價(jià)上，既能把握其綜合性狀表現(xiàn)，又能簡(jiǎn)化程序，更具科學(xué)性[22-23]。本研究通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)，7個(gè)表型性狀可提取3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了74.725%，第一主成分反映的是產(chǎn)量性狀，第二主成分反映的是莖數(shù)和品質(zhì)性狀，第三主成分反映的是病害和品質(zhì)性狀。這3個(gè)特征是造成甘蔗種質(zhì)表型多樣化的主要因素，可根據(jù)這3個(gè)特征有針對(duì)性地發(fā)掘育種中間材料，為甘蔗雜交育種提供優(yōu)質(zhì)的親本材料。

通過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)分析，將141份中蔗品系劃分為3個(gè)類(lèi)群，第Ⅰ類(lèi)群蔗株高大，高產(chǎn)高糖，抗病性強(qiáng)，宿根性強(qiáng)，各性狀表現(xiàn)優(yōu)異。第Ⅱ類(lèi)群植株矮小，產(chǎn)量低，糖分低，抗病性較差，宿根性不強(qiáng)，各性狀綜合表現(xiàn)較差。第Ⅲ類(lèi)群蔗株中等，產(chǎn)量一般，蔗糖分較高，抗病性較差，宿根性一般，各性狀綜合表現(xiàn)一般。綜合表現(xiàn)優(yōu)異的是第Ⅰ類(lèi)群，其中包括60份種質(zhì)，可作為雜交親本進(jìn)行組合配制，運(yùn)用家系評(píng)價(jià)的方法進(jìn)一步評(píng)價(jià)其作為雜交親本的優(yōu)異表現(xiàn)。此外，中蔗153303、中蔗150505、中蔗165201和中蔗151106等4個(gè)種質(zhì)可作為高糖親本加以利用。而中蔗15710、中蔗160913、中蔗162026、中蔗112819、中蔗1415219、中蔗1510055、中蔗140802和中蔗151106等8個(gè)種質(zhì)可作為抗黑穗病親本。抗黑穗病育種是我國(guó)甘蔗抗病育種的主要育種目標(biāo)之一，而抗黑穗病育種進(jìn)展較為緩慢，主要是由于高抗黑穗病的親本材料僅占8.16%，這一現(xiàn)狀給甘蔗抗黑穗病育種帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[21]，因此需要篩選出更多的高抗黑穗病親本。中蔗134007、中蔗118607、中蔗167010、中蔗144101和中蔗156615等5個(gè)種質(zhì)可作為高產(chǎn)親本加以利用。目前，我國(guó)的甘蔗高產(chǎn)育種與高糖育種相比進(jìn)展緩慢，而一味地強(qiáng)調(diào)高糖育種而忽視高產(chǎn)育種，將會(huì)導(dǎo)致親本群體產(chǎn)量限制而無(wú)法獲得有效突破[24]，因此需要篩選出更多的高產(chǎn)親本。

本研究?jī)H針對(duì)桂西南蔗區(qū)引進(jìn)甘蔗種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行分析，具有一定的主觀性，同時(shí)也容易受到環(huán)境因素的影響，獲得的結(jié)論往往不夠客觀。因此，計(jì)劃下一步利用分子標(biāo)記對(duì)甘蔗種質(zhì)資源進(jìn)行深入的遺傳多樣性分析和基因挖掘，以期更加客觀地評(píng)價(jià)甘蔗種質(zhì)資源，揭示其內(nèi)在的遺傳信息，提高資源利用效率，更好地為桂西南蔗區(qū)甘蔗雜交育種服務(wù)。