基于多元統(tǒng)計(jì)分析的柳州甘蔗新品系評(píng)價(jià)研究

DOI：10.19462/j.cnki.zgzy.20240830001

摘要：為了對(duì)柳州地區(qū)種植的甘蔗新品系進(jìn)行評(píng)價(jià)，為甘蔗和相關(guān)農(nóng)作物選育提供科學(xué)的決策支持，采用主成分分析（PCA）、K-均值聚類(lèi)、相關(guān)性分析等方法對(duì)23個(gè)甘蔗新品系的出苗率、分蘗率、枯心率、梢腐病等9個(gè)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，分蘗率的變異系數(shù)最大，達(dá)62.49%，有效莖數(shù)、出苗率、產(chǎn)量變異系數(shù)也在10.00%以上；相關(guān)性分析表明，出苗率和有效莖數(shù)高的品系往往具有更高的產(chǎn)量，分蘗率高的品系具有更高的有效莖數(shù)但糖分會(huì)受到影響；主成分分析將9個(gè)性狀降維為特征值大于1.0的4個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)76.242%；23個(gè)新品系通過(guò)K-均值聚類(lèi)被分為5個(gè)類(lèi)群，類(lèi)群1～5分別包含1、3、3、5、11個(gè)品系，類(lèi)群1、類(lèi)群2、類(lèi)群3品系綜合表現(xiàn)較差，不建議在柳州地區(qū)進(jìn)行推廣種植，類(lèi)群3的桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220整體上糖分含量較高，可以作為高糖親本加以利用，類(lèi)群4、類(lèi)群5的桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖18-268、桂糖18-277、桂糖13-113等16個(gè)品系可以進(jìn)入下一步的區(qū)域試驗(yàn)和大田示范。研究證明，多元統(tǒng)計(jì)方法的綜合利用可以為柳州選種和引種提供更加全面的品系綜合評(píng)價(jià)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：柳州；甘蔗育種；多元統(tǒng)計(jì)分析；主成分分析；K-均值聚類(lèi)

Evaluation of New Sugarcane Varieties in Liuzhou Based on Multivariate Statistical Analysis

YANG Yebin，SU Xiaohui，DENG Si，WEI Huiming，QIN Yaoguan，BEI Jianshe，

ZHOU Jianping，HE Xiaomei，MING Fanqiang，WEI Kaijun

（Liuzhou Branch of Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Liuzhou Agricultural

Sciences Research Center，Liuzhou 545000，Guangxi）

甘蔗在全球范圍內(nèi)被視為重要的糖源作物，對(duì)于食品工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)具有不可替代的作用。廣西作為全國(guó)最大的糖生產(chǎn)地區(qū)之一，2023-2024年榨季廣西預(yù)計(jì)糖料蔗入榨量5000萬(wàn)t，食糖產(chǎn)量600萬(wàn)t，因此甘蔗的種植和加工對(duì)于廣西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有顯著貢獻(xiàn)[1]。全球氣候變化和市場(chǎng)需求的不斷演變對(duì)甘蔗產(chǎn)業(yè)提出了諸多要求，包括提高糖分產(chǎn)量、增強(qiáng)作物的抗逆性和適應(yīng)性，以及滿(mǎn)足可持續(xù)發(fā)展的要求等。甘蔗育種是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的關(guān)鍵手段，傳統(tǒng)的育種方法依賴(lài)于田間選擇和雜交，而現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，如基因工程和基因組選擇，為甘蔗的遺傳改良提供了新的途徑[2-4]。無(wú)論采取何種育種技術(shù)，核心目標(biāo)始終是培育出高產(chǎn)、高糖、抗病性強(qiáng)和適應(yīng)性強(qiáng)的甘蔗新品種[5-6]。由于廣西不同地區(qū)的氣候和土壤條件各異，所以選育出適宜當(dāng)?shù)胤N植的品種對(duì)于促進(jìn)當(dāng)?shù)馗收岙a(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展具有重要意義[7]。

本研究采用多元統(tǒng)計(jì)分析，包括主成分分析（PCA）、K-均值聚類(lèi)等，深入分析了23個(gè)甘蔗新品系的9個(gè)性狀，這些分析方法系統(tǒng)揭示了性狀之間的內(nèi)在聯(lián)系，全面評(píng)價(jià)了品系表現(xiàn)，旨在篩選出具有優(yōu)良遺傳潛力的甘蔗品系。前人通過(guò)此類(lèi)方法對(duì)菜心、甘藍(lán)、甘蔗等作物育種提供了科學(xué)的決策支

持[8-10]。此外，本研究還探討了主成分分析和聚類(lèi)分析在甘蔗育種中的應(yīng)用，以期為培育符合未來(lái)市場(chǎng)需求的新品種提供新的視角和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 本研究所用23個(gè)甘蔗新品系來(lái)源于廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所、廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所、柳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心、百色市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所、河池市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，柳城05-136、桂糖42號(hào)為試驗(yàn)對(duì)照（CK1、CK2）

（表1）。

1.2 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)柳州市柳北區(qū)沙塘鎮(zhèn)柳州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究中心試驗(yàn)基地，地理位置24°26′N(xiāo)，109°22′E，海拔123m，地形以丘陵、沖積平原為主，土壤質(zhì)地紅壤土，肥力中等，前茬作物為甘蔗。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)4行，行長(zhǎng)8.0m，行距1.2m，面積38.4m2。采用雙芽段品字形種植，下種量為10萬(wàn)芽/hm2，四周設(shè)保護(hù)行。田間管理按照當(dāng)?shù)馗收嵘a(chǎn)常規(guī)管理進(jìn)行。于4月中旬調(diào)查出苗率，5月中旬調(diào)查總苗數(shù)，7月調(diào)查枯心率、梢腐病，11月至翌年1月進(jìn)行糖分測(cè)定及甘蔗株高、莖徑、產(chǎn)量的調(diào)查。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析 采用主成分分析（PCA）、K-均值聚類(lèi)和相關(guān)性分析等多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀變異分析 變異系數(shù)是衡量作物遺傳多樣性的重要指標(biāo)，變異系數(shù)越大越能反映品種豐富的遺傳多樣性，從中選出優(yōu)良個(gè)體的概率越大[11-13]。由表2可知，23份材料的性狀差異明顯，各性狀變異系數(shù)在7.56%～62.49%之間。其中，分蘗率的變異系數(shù)最大，這表明在參與試驗(yàn)的甘蔗品系中，分蘗能力的遺傳差異性最大；分蘗率變幅在6.8%～161.8%之間，最高的是桂糖18-276，最低的是桂糖17-847。有效莖數(shù)變異系數(shù)為20.14%，變幅在48983～99529株/hm2之間，最多的是桂糖17-932，最少的是桂糖17-847。出苗率變異系數(shù)為19.78%，變幅在47.3%～91.5%之間，最高的是河糖16-179，最低的是河糖16-546。產(chǎn)量變異系數(shù)為15.58%，變幅在38363～72547kg/hm2之間，最高的是桂糖18-229，最低的是桂糖17-847。株高、莖徑、糖分的變異系數(shù)均小于10.00%，說(shuō)明這3個(gè)性狀變異程度較低，遺傳性狀相對(duì)穩(wěn)定。

2.2 性狀相關(guān)性分析 相關(guān)性分析揭示了不同性狀間的相互作用，對(duì)于指導(dǎo)育種工作至關(guān)重要。由表3可以看出，出苗率與有效莖數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，與分蘗率、梢腐病、枯心率、莖徑、株高、糖分呈負(fù)相關(guān)，這表明出苗率高的品系往往能夠帶來(lái)更高的產(chǎn)量，但糖分、抗病性會(huì)受到一定影響。分蘗率與有效莖數(shù)呈極顯著正相關(guān)，但與糖分含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與梢腐病、莖徑、株高呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明分蘗率越高的品種糖分含量可能越低。除此之外，有效莖數(shù)與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明甘蔗有效莖數(shù)是產(chǎn)量提高的關(guān)鍵因子。因此，在育種過(guò)程中需要對(duì)各性狀間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行平衡，以確保既能提高有效莖數(shù)和產(chǎn)量，又不會(huì)降低糖分含量及抗病性。

2.3 主成分分析 主成分分析揭示了不同性狀對(duì)甘蔗總體表現(xiàn)的貢獻(xiàn)度。針對(duì)9個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，以特征值大于1.0為標(biāo)準(zhǔn)提取主成分。結(jié)果表明，前4個(gè)主成分的特征值累計(jì)方差貢獻(xiàn)率達(dá)76.242%，表明這4個(gè)主成分可以反映出9個(gè)農(nóng)藝性狀的大部分信息（表4）。第1主成分特征值為3.0931，方差貢獻(xiàn)率為30.931%，有效莖數(shù)和產(chǎn)量載荷值較大；第2主成分特征值為1.7075，方差貢獻(xiàn)率為17.075%，梢腐病抗性和莖徑載荷值較大；第3主成分特征值為1.6043，方差貢獻(xiàn)率為16.043%，莖徑、出苗率和產(chǎn)量載荷值較大；第4主成分特征值為1.2193，方差貢獻(xiàn)率為12.193%，株高和梢腐病抗性載荷值較大。

2.4 K-均值聚類(lèi)分析 對(duì)25份參試材料進(jìn)行K-均值聚類(lèi)分析，可將其分為5個(gè)類(lèi)群。由表5和表6可知，類(lèi)群1包含1個(gè)品系（百蔗17-344），表現(xiàn)為抗枯心病強(qiáng)、抗梢腐病相對(duì)稍弱、莖徑大、產(chǎn)量中等。類(lèi)群2包含3個(gè)品系（桂糖14-817、桂糖18-226、河糖16-546），出苗率中等，抗枯心病和梢腐病強(qiáng)，莖徑大，有效莖數(shù)、糖分含量、產(chǎn)量均中等。類(lèi)群3包含3個(gè)品系（桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220），抗枯心病和梢腐病強(qiáng)，莖徑小，糖分含量高，產(chǎn)量低。類(lèi)群4包含2個(gè)對(duì)照和5個(gè)品系（桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖17-605、桂糖18-496），出苗率高，抗枯心病和梢腐病強(qiáng)，莖徑、有效莖數(shù)、糖分含量均中等，產(chǎn)量高。類(lèi)群5包含11個(gè)品系（桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113、桂糖17-932、桂糖17-1187、桂南蔗14-2234、桂糖18-313、桂糖17-862、桂糖18-276、桂糖16-1129、桂糖17-877），出苗率中等，分蘗率高，抗枯心病和梢腐病強(qiáng)，莖徑中等，有效莖數(shù)高，糖分含量一般，產(chǎn)量較高。

表5 參試材料K-均值聚類(lèi)

類(lèi)群 品種（系）

1 百蔗17-344

2 桂糖14-817、桂糖18-226、河糖16-546

3 桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220

4 柳城05-136（CK1）、桂糖42號(hào)（CK2）、桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖17-605、桂糖18-496

5 桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113、桂糖17-932、桂糖17-1187、桂南蔗14-2234、桂糖18-313、桂糖17-862、

桂糖18-276、桂糖16-1129、桂糖17-877

3 討論與結(jié)論

本研究采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)23個(gè)甘蔗新品系進(jìn)行適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)分析。在9個(gè)性狀中株高、莖徑變異系數(shù)小于10.00%，說(shuō)明遺傳性狀相對(duì)穩(wěn)定。糖分為甘蔗品種選育中的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)對(duì)比新品系中變異系數(shù)大于10.00%的分蘗率、有效莖數(shù)、出苗率、產(chǎn)量4個(gè)性狀發(fā)現(xiàn)，分蘗率低于平均值的新品系糖分絕大部分高于平均值，出苗率及分蘗率高的品系有效莖數(shù)均高于平均值，出苗率高的品系往往分蘗率較低。研究表明，分蘗率提高不僅能增加有效莖數(shù)，還能直接影響甘蔗的產(chǎn)量和糖分含量，這與前人[14-17]研究結(jié)果一致，因此甘蔗分蘗的增加對(duì)甘蔗生產(chǎn)力的提高有重要作用，如何平衡出苗率和分蘗率是品種選育過(guò)程中需要著重考慮的問(wèn)題。

K-均值聚類(lèi)將23個(gè)甘蔗品系分為5個(gè)類(lèi)群，類(lèi)群4（桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179等）和類(lèi)群5（桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113等）表現(xiàn)出高產(chǎn)和高糖分的潛力，可以作為下一步區(qū)域試驗(yàn)和大田示范的候選品系。類(lèi)群3的桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220產(chǎn)量較低，但糖分含量高，可以將其作為高糖親本進(jìn)行改良。

本文結(jié)合了主成分分析、聚類(lèi)分析、相關(guān)性分析等多元統(tǒng)計(jì)方法，研究再次證明利用變異系數(shù)分析可評(píng)估育成品系的遺傳多樣性，以此篩選出遺傳背景豐富、性狀表現(xiàn)多樣的品系作為候選育種材料；利用相關(guān)性分析可篩選出與目標(biāo)性狀呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的性狀，作為未來(lái)品種改良和維系性狀平衡的依據(jù)；主成分分析能夠確定對(duì)目標(biāo)性狀貢獻(xiàn)最大的主成分，從各主成分代表性狀中篩選出表現(xiàn)優(yōu)異的品系；K-均值聚類(lèi)分析可將種質(zhì)資源分為不同類(lèi)群，識(shí)別具有特定優(yōu)勢(shì)和改良潛力的品系，便于其進(jìn)一步試驗(yàn)和示范。通過(guò)綜合評(píng)價(jià)體系的建立，可使新品系得到更全面的評(píng)價(jià)，可為柳州甘蔗品種選育和引種提供科學(xué)依據(jù)。本文僅對(duì)甘蔗9項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行了多元評(píng)價(jià)，更合理的選育和引種評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 李楊瑞．關(guān)于廣西的甘蔗育種．廣西糖業(yè)，2019（3）：3-7

[2] 劉新龍，李旭娟，劉洪博，馬麗，徐超華，范源洪．云南甘蔗常用親本資源遺傳多樣性的SSR分析．植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2015，16（6）：1214-1222

[3] 王英，陳守俊，朱相成，莊南生．80份甘蔗種質(zhì)RAMP標(biāo)記遺傳多樣性分析．植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2011，12（4）：525-532

[4] Atkin F C，Dieters M J，Stringeer J K．系譜深度和歷史資料對(duì)甘蔗育種方案加性方差和育種值估計(jì)的影響．理論與應(yīng)用遺傳學(xué)，2009，119（3）：555-565

[5] 楊榮仲，周會(huì)，唐仕云，劉昔輝，梁強(qiáng)，黃海榮．廣西甘蔗育種思考．中國(guó)糖料，2021，43（3）：18-27

[6] 胡朝輝，潘永保，Werapon P．蔗糖主產(chǎn)國(guó)甘蔗單產(chǎn)及產(chǎn)糖率改良進(jìn)展．中國(guó)糖料，2021，43（4）：75-80

[7] 蘇振，鄧宇馳，鐘德發(fā)，王春玲，林飛劍，陳家福．甘蔗新品種的篩選試驗(yàn)及評(píng)價(jià)．中國(guó)種業(yè)，2023（5）：58-61

[8] 郭強(qiáng)，江清梅，何洪良，黎正英，梁永檢，秦昌鮮，唐利球．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．熱帶作物學(xué)報(bào)，2024，45（1）：49-59

[9] 趙勇，趙俊，昝逢剛，趙麗萍，趙培方，朱建榮，Burner D M，吳才文，劉家勇．86份甘蔗種質(zhì)資源工藝性狀的評(píng)價(jià)．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2019，45（5）：466-471

[10] 史衛(wèi)東，梁勁，張力，琚茜茜，羅海玲，康紅衛(wèi)．菜心和芥藍(lán)表型多樣性的主成分分析與聚類(lèi)分析．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，33（12）：2726-2735

[11] 王恩軍，陳垣，韓多紅，蔡子平，張芬琴，張勇．菘藍(lán)農(nóng)藝性狀與藥材產(chǎn)量的相關(guān)和通徑分析．核農(nóng)學(xué)報(bào)，2018，32（2）：399-406

[12] 王慧敏，彭振英，李新國(guó)，萬(wàn)書(shū)波，張智猛，丁紅，高文偉．67個(gè)花生品種主要農(nóng)藝性狀的變異及相關(guān)性分析．山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，51（9）：91-96

[13] 梁森苗，張淑文，鄭錫良，任海英，朱婷婷，戚行江．楊梅生長(zhǎng)指標(biāo)與果實(shí)品質(zhì)間的相關(guān)性分析．核農(nóng)學(xué)報(bào)，2019，33（4）：751-758

[14] 范業(yè)賡，丘立杭，陳榮發(fā)，周慧文，李燕嬌，閆海鋒，羅含敏，周忠鳳，鄧宇馳，吳建明．不同分蘗特性甘蔗品種生產(chǎn)力差異和相關(guān)性研究．中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2023，25（12）：35-43

[15] 陸鑫，毛鈞，應(yīng)雄美，劉新龍，蘇火生，馬麗，蔡青．甘蔗創(chuàng)新種質(zhì)的因子分析與聚類(lèi)分析．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，24（6）：2072-2076

[16] 張革民，楊榮仲，劉海斌，方位寬．割手密主要數(shù)量性狀的主成分及聚類(lèi)分析．西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，19（6）：1127-1131

[17] 俞華先，經(jīng)艷芬，安汝?yáng)|，郎榮斌，田春艷，董立華，桃聯(lián)安，孫有芳，楊李和，邊芯，周清明．基于主成分與聚類(lèi)分析的大莖野生種血緣后代育種潛力評(píng)價(jià)．江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2019，31（10）：16-22

（收稿日期：2024-08-30）

基金項(xiàng)目：廣西科技重大專(zhuān)項(xiàng)（桂科AA22117002）；科技先鋒隊(duì)“強(qiáng)農(nóng)富民”“六個(gè)一”專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)（桂農(nóng)科盟202403-9）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系廣西甘蔗創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目（nycytxgxcxtd-2021-03）

通信作者：韋開(kāi)軍