陸地棉F2代單株選擇的主成分分析

王巧玲,李哲

（河南科技學院,河南新鄉453003）

自從20世紀90年代初人們采用基因工程的方法將蘇云金芽胞桿菌Bscillus thuringiensis（Bt）的晶體蛋白基因轉入棉花品種中以后,陸地棉品種基因庫中就有了Bt抗蟲基因.育種家們不但可以采用基因工程的方法培育抗蟲棉品種,也可以利用基因庫中豐富的非抗蟲棉品種資源,采用常規育種的方法培育抗蟲棉品種,而常規育種最常用的方法是雜交育種.將抗蟲棉品種和非抗蟲棉品種雜交F1代抗蟲基因位點處于半合子狀態[1],F2代基因位點間出現重組,當親本組合確定以后,通過一定的方法和途徑提高F2代的單株選擇效果就成為重組育種的關鍵技術.主成分分析是一種多元統計分析方法,它是利用原始變量之間的相關性,經過數據轉換將多個性狀指標轉化為較少指標,彼此互不相關,且能反映原來多個性狀指標的主要信息,構建少數幾個因子的線性組合解釋原來變量實現降維[2].主成分分析用于遺傳育種的研究已有很多報道[3-4],但對F2代在選擇條件下單株性狀的主成分分析的研究迄今未見報道.本文旨在通過主成分分析的方法對F2代在選擇條件下的單株性狀進行研究,為提高F2代單株選擇效果提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為抗蟲棉品種“D17”和自育的非抗蟲品種“HN68”的雜交F1代,F1代自交得F2代.

1.2 方法

1.2.1 試驗方法 試驗在河南科技學院百泉校區試驗田進行,4月23日播種,行長8 m,行距1.0 m,株距0.3 m,土壤肥力中等偏上,管理同大田.于9月下旬在F2代群體中按照育種目標選擇86個單株,經篩選保留 64 個單株,并調查各單株的果枝夾角（X1）、節位（X2）、株高（X3）、果枝數（X4）、果節數（X5）、第一果枝第一果節長（X6）、主莖平均節長（X7）、鈴數（X8）,并通過室內考種測得鈴重（X9）、衣分（X10）.

1.2.2 統計分析方法 統計分析利用主成分分析的方法,首先原始數據進行數據變換,進行標準化處理,然后從相關陣出發進行主成分分析.數據處理由SAS9.0[5]和Excel完成.

2 結果與分析

2.1 性狀主成分分析

在主成分分析中,方差代表性狀在主成分方向上的分散程度,方差越大,主成分在樣本數據分析中所起的作用越大.對供試材料的10個性狀進行主成分分析,得到10個性狀的遺傳相關矩陣（見表1）.

表1 10個性狀的相關系數

從相關矩陣出發求得其主成分的方差貢獻率和累積方差貢獻率（見表2）.

表2 10個性狀主成分的方差貢獻率和累積方差貢獻率

由表2可見,前5個主成分累積方差貢獻率為74.95%,意味著前5個主成分的遺傳信息在總遺傳信息中占74.95%,其余5個主成分的遺傳信息在樣本試驗中所起的作用僅為25.05%.所以,前5個主成分能反映該性狀的大部分遺傳信息.本文僅取前5個主成分來進行分析.其特征根和對應的特征向量見表3.

表3 64個單株的綜合性狀及產量相關矩陣的特征向量

由于主成分是原性狀的線性組合函數,根據計算樣本相關矩陣的特征向量,可給出各主成分的函數表達式：

由函數表達式可以看出：

第 1主成分 Y1中,果節數（0.506 1）的特征向量系數最大,其次是果枝數（0.461 8）、鈴數（0.451 3）、株高（0.444 5）,三者的信息載荷量較大且作用方向相同,說明植株較高的類型果枝數較多,其果節數也會隨之增多,會導致成鈴數增加.因而稱之為結鈴性因子.但在此主成分中,鈴重也有較大的載荷量（0.331 3）,說明由于株高的提高不但可以提高結鈴性,也可以在一定程度上提高鈴重.其它,如節位（-0.066 5）、第一果枝第一果節長（-0.037 6）和衣分（-0.027 6）,三者的作用方向相反,但載荷量較小,對結鈴性的影響不大,可以不予考慮或較少考慮.

第2主成分Y2中,夾角（0.572 0）的特征向量值最大,其次是主莖平均節長（0.533 2）、第一果枝第一果節長（0.403 3）,三者的信息載荷量較大且方向相同均為正值.說明夾角越大,其主莖平均節長就越長,第一果枝第一果節也會較長.該主成分主要是反應株型的形態指標,故稱之為株型因子.在此主成分中鈴重也有較大的載荷量（0.331 1）,且作用方向也相同,說明株型因子對鈴重具有較高的正向作用,松散型也可有利于鈴重的提高.衣分的絕對值（X10=-0.260 2）也較大,但為負值,說明松散型不利于衣分的提高.在育種中應注意協調這種關系,該因子不宜過高,應保持在一定的范圍內.選擇夾角適中、第一果節適當較長的植株,從而達到高產的目標.

第3主成分中,節位（0.825 0）值最大,鈴重（0.331 1）次之,故稱之為鈴重因子.說明隨著對節位的正向選擇可使鈴重增加.但在實際工作中,節位不宜過高,節位與早熟性有較大的相關性,大鈴晚熟.第一果枝第一果節長的值也較大,但為負值（-0.367 9）.在該組合中,節位較高的類型,第一果枝第一果節長的長度可較短,有利于鈴重的提高,不利于綜合性狀的提高,一般節位應控制在一個適當的范圍內.

第4主成分中衣分（0.810 1）值最大,其次是第一果枝第一果節長（X6=0.350 1）和鈴重（X9=0.273 0）,三者呈正相關.在此主成分中鈴數（X8=-0.270 3）的負值最大,由此可以得到鈴數與鈴重、衣分的作用方向相反,表明第4主成分主要反映了棉花的衣分因子,即經濟產量轉換因子.鈴重和衣分可同步提高,單株結鈴數不能同步提高,三者都是構成產量的直接性狀.

第5主成分中,第一果枝第一果節長（X6=0.501 0）值最大,其次是株高（X3=0.315 5）和節位（X2=0.302 6）,即第一果節越長植株相對高大,節位高說明植株營養器官發達,生物產量高,第5主成分稱為生物產量因子.該主成分中夾角（X1=-0.599 6）負值最大,其次是衣分（X10=-0.355 5）和果枝數（X4=-0.222 7）.第一果節越長其夾角就相對越小,衣分值也相對降低,在一定程度上影響生物產量向經濟產量的轉換率.所以在選擇過程中,不能選擇第一果節過長的植株.

總之,由主成分的方差貢獻率決定5個主成分（Y1-5）,原性狀（X1-10）的相關矩陣的特征向量進一步表明棉花的形態性狀與各產量構成性狀之間都有不同程度的相關作用,有些為負向作用[6].64個處理的主成分因子得分見表4.

表4 64個處理的主成分因子得分

注：得分由低至高排序.

2.2 利用主成分值選擇優良組合

棉花主栽品種的形態性狀及產量取決于夾角、節位、株高、果枝數、果節數、第一果節長、平均節長、鈴數、鈴重、衣分等10個性狀指標.5個主成分可以反映其主要性狀指標.因此,可用主成分值作為選擇優良單株的依據,經對數據標準化轉換,計算各個主成分值,以計算各個組合5個主成分的總分,進而可選擇符合育種目標的優良單株.

通過5個主成分的得分,可以看出單株57得分最高,其次為單株45,而單株36和單株34得分最低,說明單株57和45綜合性狀表現優良,而單株36和單株34綜合性狀表現較差,在選擇單株時應考慮是否淘汰,可以此作為單株選擇的綜合指標.

3 小結與討論

3.1 小結

陸地棉F2代雜交種主要性狀相關系數結果表明：果節數、果枝數、株鈴數、單鈴重、衣分與單株皮棉產量的相關系數大,對單株皮棉產量的直接作用最大,棉花新品種要在產量上有所突破,在選擇結鈴性強的材料前提下,可選擇在同等條件下果枝數、果節數較多類型,這樣有利于提高單株結鈴數.衣分是構成產量的直接性狀,衣分的提高有利于單株皮棉產量的提高[7].在育種實踐中,產量與纖維品質必須兼顧.

陸地棉F2代雜交種主成分分析結果表明：第1主成分是結鈴性的因子,第2主成分是植株形態性狀的形態因子,第3主成分是鈴重因子,第4主成分是衣分因子,第5主成分是生物產量因子.各個主成分反映了陸地棉F2代單株的形態性狀和產量,但綜合起來,基本上可以反映陸地棉產量性狀的構成.因此,用主成分值得分作為陸地棉單株選擇標準,較用單一性狀加權打分選擇更為簡便,同時避免了性狀間的相關性對選擇效果的影響[8],較人為加權打分選種更具準確性和科學性.

應用主成分值對陸地棉F2代的64個單株進行排序分析[9],其結果表明用主成分值選種在抗蟲棉單株選擇中有一定的應用價值,在實際應用中,通過計算育種材料的主成分值,可以綜合評判品種的優劣.本文由5個主成分值的總得分,可以看出單株57的得分最高,其次為單株45,而單株36和34的得分相對較低,說明單株57和45的綜合性狀表現優良,但單株36和34的綜合性狀則表現較差,應予以淘汰.研究未將棉株生長、發育性狀同時考慮,其相關問題尚待進一步探討.

3.2 將主成分值得分作為綜合選擇指數的討論

作物育種的總目標是高產、優質、早熟、多抗性,歸根結底要落實到產量和品質上,但構成產量和品質的綜合性狀間又存在著錯綜復雜的相關關系[10],對某單一性狀的選擇往往伴隨其它相關性狀的變化,常有顧此失彼之感,要提高選擇效果,必須正確處理各性狀的相關關系,選擇指數正是在這種狀況下提出的.選擇指數是數量遺傳研究的一個重要方面,近年來許多遺傳學家構建了許多選擇指數,如遺傳相關系數、回歸系數、相關遺傳力、遺傳力等.主成分分析首先進行數據標準化處理,然后從相關矩陣出發,求得各主成分的線性組合,并通過篩選、選擇主成分值較大的主成分,作為該單株或品種材料的綜合得分.這樣在遺傳信息失之甚少的情況下對各構成性狀進行選擇,會顯得目標更加明確集中.因此,采用主成分分析法構建一個新的選擇指數,以此作為F2代單株選擇的依據,更加符合實際工作需要.

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