高粱F2群體株型性狀的主成分分析和綜合評價

張曠野,王佳旭,柯福來,張 飛,朱 凱,王艷秋

(遼寧省農業科學院高粱研究所,遼寧 沈陽 110161)

高粱起源于貧瘠的非洲大陸,作為 C4作物,具有光合效率高,增產潛力大的特點,且高粱用途廣泛,兼具食用,飼用,釀造,能源,加工等多種用途[1]。高粱釀酒業是我國的傳統產業,隨著白酒新國標的頒布,我國對釀造高粱的需求將大大增加[2]。雖然經過多年的遺傳改良,除個別地區外,高粱已經基本實現了矮稈化,但是目前高粱株型仍然存在許多問題,例如雖然植株高度降低,但是葉片數沒有減少,且葉片肥大,葉面積分布不合理,導致群體郁閉,影響光合能力、通風性以及抗病能力,此外還存在柄伸長度過短,穗柄長度過長等影響機械化收獲的問題,大大影響了高粱的生產水平和農民的種植意愿。因此,急需培育株型合理、高產、優質且適宜機械化的突破性新品種[3~6]。

主成分分析可以通過將多個農藝性狀降維后分析特征表現,進而分析各因素的重要性。目前,主成分分析已經被廣泛的應用到作物的抗病性、株型、逆境耐受性以及引種的評價研究中。例如,俞華先等(2021)利用主成分分析的綜合評價方法對云南甘蔗細莖野生種F2群體中45個家系進行了主要農藝性狀的評價,從中篩選出7個優良種質用于后續的育種工作[7]。郗小倩等(2022)對10個玉米品種的綜合抗病性進行綜合評價,結果表明,太育184的綜合抗性最高[8]。在高粱株型方面,趙欣蕊等(2022)對來自國內不同地區的371份國內高粱種質資源的株型性狀進行綜合評價,發現選103、京選1號、44F和714R等30個優異種質資源[9]。喬婧等(2019)對20份利用高粱的株型、穗型和產量等相關性狀進行了主成分和相關性分析,明確了不同性狀間的關聯性和重要程度[10]。在高粱中,主成分分析方法的應用比較廣泛的另一個研究方向是耐鹽性的鑒定,已篩選出一批耐鹽性優異的種質資源品系(品種)[11~16],為高粱的耐鹽育種提供了重要的理論依據。

本研究對以優良恢復系7037和矮四為親本構建的高粱F2群體為試材,通過主成分分析和聚類分析對7個株型相關性狀(葉面積,葉片數,株高,穗長,柄伸長度,穗柄長度以及第一到第二葉距離)進行綜合評價,旨在為高粱理想株型品種的選育提供理論依據和材料基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為以高粱骨干恢復系7037和矮四為親本構建的F2群體。于2019年通過對兩個親本進行去雄雜交獲得F1代種子后。F1代經過自交繁種獲得F2代群體種子。F2群體包含單株約1 000株,從中篩選出 81個株型優異或極端的家系做為主要分析對象。

1.2 田間種植方式

2021年5 月于遼寧省農業科學院試驗田(123.56°E,41.82°N)種植兩親本及 F2分離群體,四行區,行距0.6 m,株距0.2 m,小區種植面積2.4 m2,雙親各 3次重復。當地2021年5~10月平均氣溫為19.15℃,活動積溫為3 423.5℃,有效積溫為 1 743.5℃,總降雨量為560.4 mm,總日照時數為1 050 h。前茬作物為野生大豆。土壤類型為沙壤土。常規栽培管理。

1.3 性狀調查方法

于灌漿期開始調查F2分離群體的葉面積(Leaf Area,LA),全株葉片數(Number of leaves,LN),株高(Plant Heigth,PH),穗長(Spike Length,SL),柄伸長度(Exsertion Length,EL),穗柄長度(Peduncle Length,PL)和第一到第二葉距離(First leaf to Second leaf Length,FtSL)。各性狀的詳細調查方法如下:

葉面積:用直尺分別測量全株葉片的葉長,葉寬(葉片最寬處寬度),通過計算得到葉面積(葉面積=葉寬×葉長×0.75[17]),并將全株葉片的葉面積平均值做為該家系的葉面積表型值。

全株葉片數:分別在五葉期,八葉期,大喇叭口期以及抽穗期用紅色油漆對第五,第八,第十二葉和第十六片葉進行標記,統計葉片數。

株高和穗長:利用塔尺分別測量穗頂到地表,穗基部的長度。

柄伸長度,穗柄長度:利用直尺分別測量穗基部到旗葉基部和上數第一節間的長度。

第一到第二葉距離:利用直尺測量旗葉基部到上數第二葉基部的長度。

1.4 統計分析

利用Excel軟件對株型相關性狀的表型值進行基礎的整理,利用SPSS 24軟件進行基礎分析、相關性分析(相關系數:皮爾遜;顯著性檢驗:雙尾檢驗),主成分分析和聚類分析等,利用GraphPad Prism 8軟件繪制表型小提琴圖和相關性熱圖。

2 結果分析

2.1 F 2群體的株型性狀表現

兩親本F2分離群體的株型性狀表現如圖1所示,由圖1可知兩親本7037和矮四的葉面積平均值分別為455.6 cm2和527.8 cm2,F2群體的葉面積平均數介于兩親本之間,為522.8 cm2,表現為不完全顯性,變異系數分別為12.9%。葉片數方面,7037和矮四的葉片數分別為19和16.5,F2群體的葉片數平均值為20.3,表現出一定的超親優勢,親本和群體的變異系數均較小。兩親本的株高為181.6 cm(7037)和140.9 cm(矮四),群體株高平均數為163.5 cm,表現為中親優勢,兩親本的變異系數較小,群體株高的變異系數略大于兩親本,為15.4%。穗長、柄伸長度和第一到第二葉距離三個性狀的群體平均值均同樣介于兩親本之間,均表現為不完全顯性。穗柄長度方面,7037和矮四分別為24.6 cm和20.9 cm,群體穗柄長度存在超高親遺傳現象,為25.1 cm。由以上結果可看出,F2群體中7個株型相關性狀的變異廣泛、豐富,群體內各家系間存在差異性,存在可以利用的株型優勢家系。

圖1 雙親及F 2群體的株型性狀表現

2.2 分離群體株型性狀相關性分析

F2群體中葉面積與穗長之間存在顯著的正相關關系(r=0.220,p=0.048),與柄伸長度和穗柄長度之間均存在極顯著的負相關關系,相關系數分別為~0.381(p=0)和~0.387(p=0);第一到第二葉距離與葉片數、株高和穗柄長度間存在顯著或極顯著的正相關關系,相關系數分別為 0.275(p=0.013),0.535(p=0)和 0.687(p=0);穗柄長度與株高和柄伸長度間均存在極顯著的正相關關系,相關系數分別為0.591(p=0)和0.748(p=0);柄伸長度與葉片數間存在顯著的負相關關系(r=-0.225,p=0.043),與株高存在極顯著的正相關關系(r=0.325,p=0.003);另外株高與葉片數和穗長間,均存在極顯著的正相關關系,相關系數分別為0.288(p=0.009)和0.286(p=0.010)。由以上結果可以發現,F2群體中株型相關形狀間的相關性結果復雜,不利于直接進行評價,為了降低評價的重疊性和提高評價準確性和評價效率,有必要對其進行主成分分析。

圖2 F 2群體株型性狀間的相關性分析

2.3 主成分分析

對F2群體的株型相關性狀進行主成分分析,特征值、特征向量、因子方差貢獻率和因子方差累計貢獻率結果如表1所示。根據因子累計方差貢獻率大于85%的原則[18~19],選取前4個因子作為株型性狀的公共因子,4個公共因子累計貢獻率為86.9%。其中第一個公共因子特征值為2.722,貢獻率為 38.9%,主要反映穗柄長度、株高、第1到第 2葉距離和柄伸長度,特征向量分別為0.576,0.464,0.428和 0.400,稱其為株高因子。第 2個公共因子特征值為1.653,貢獻率為23.6%,主要反應葉片數、穗長和柄伸長度,特征向量分別為0.518,0.504和-0.436,稱其為適宜機械化因子,第3個公共因子特征值為0.974,貢獻率為13.9%,主要反應穗長(0.627)、葉片數(-0.534)和葉面積(0.389),稱其為光合能力因子。第4個公共因子的特征值為0.734,貢獻率為 10.5%,主要反應葉面積(0.593),稱其為葉面積因子。

表1 F 2群體株型性狀主成分分析結果

利用公共因子特征向量除以相應的特征值得到各公共因子得分系數矩陣,結果如表2所示,根據公共因子得分矩陣,得到F2群體的4個公共因子的得分線性方程為:

表2 得分矩陣

S1=-0.116X1+0.038X2+0.170X3+0.003X4+0.147X5+0.211X6+0.157X7

S2=0.181X1+0.313X2+0.179X3+0.305X4-0.264X5-0.065X6+0.191X7

S3=0.400X1-0.549X2+0.172X3+0.644X4+0.316X5+0.098X6-0.199X7

S4=0.807X1-0.439X2-0.194X3-0.522X4-0.247X5+0.310X6+0.737X7

其中S1~S4代表公共因子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ得分,X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分別表示葉面積、葉片數、株高、穗長、柄伸長度、穗柄長度以及第一到第二葉距離的表型值。

2.4 高粱株型性狀綜合評價

利用線性方程計算F2群體的主成分得分,并以各公共因子的貢獻率維權重,建立F2群體的各家系株型性狀綜合得分數學模型如下:

St=0.389S1+0.236S2+0.139S3+0.105S4

綜合得分前10%的家系的公共因子得分和綜合得分如表3所示。表中8個家系的綜合得分較高,株型性狀總體來看較為優異,8個家系的平均葉面積、葉片數、株高、穗長、柄伸長度、穗柄長度和第一到第二葉距離分別為612.9 cm2,20.9,172.1 cm,26.5 cm,4.1 cm,25.9 cm和21.8 cm。其中家系32的綜合得分最高,為117.3,第Ⅰ到第Ⅳ公共因子得分分別為-36.5,164.8,294.5和492.0。其次依次為家系1、家系50、家系78和家系54。

表3 F 2群體部分家系主成分得分和綜合得分

2.5 聚類分析

對82份高粱F2家系的4個加權后的公共因子進行數據標準化處理后,采用組間連接方法進行聚類分析,當平方歐式距離在9時可以將82份材料為3個類群,結果如圖3所示。其中類群 I、II和III分別包含35、39和7個家系。

圖3 82份品系的聚類分析

3個類群中家系各株型相關性狀的平均值如表4所示。

表4 不同類群株型相關性性狀平均值

3個類群在葉片數、株高和第一到第二葉距離方面沒有顯著性差異。但是在葉面積方面,3個類群的差異顯著,其中類群Ⅱ的葉面積最大,為578.58 cm2,其次為類群Ⅰ(488.70 cm2),類群Ⅲ的葉面積最小(382.45 cm2)。穗長方面,3個類群從大到小依次為類群Ⅱ(24.54 cm)、類群Ⅰ(23.49 cm)和類群Ⅲ(21.14 cm),其中類群Ⅱ顯著大于類群Ⅲ,類群Ⅰ的穗長與其他兩個類群沒有顯著性差異。柄伸長度和穗柄長度的規律相符,均為類群Ⅲ最大,類群Ⅰ次之,類群Ⅱ最小,其中類群Ⅲ的柄伸長度和穗柄長度顯著高于類群Ⅱ,但是類群Ⅰ的柄伸長度和穗柄長度與其他兩個類群間均沒有顯著性差異。

綜上所述,在葉片數、株高和第一到第二葉距離方面相似的情況下,類群Ⅰ葉面積、穗長、柄伸長度和穗柄長度均適中,株型較為優異,是以后進行理想株型育種的重要備選材料;類群Ⅱ存在葉面積較大、柄伸長度和穗柄長度較小等影響機械化作業的問題,但是由于其穗長較長,產量潛力相對較高,且雖然類群Ⅱ的株型較差,但類群Ⅱ中的部分極端材料仍然是以后重要株型性狀相關基因發掘工作中的材料來源;類群Ⅲ中的7個份材料的葉面積較小,柄伸長度和穗柄長度較大,雖然有利于機械化收獲,但是其產量潛力相對較低,所以在以后的株型育種中可以做為性狀改良的重要來源。

3 結論與討論

群體遺傳多樣性是高粱遺傳育種的重要基礎,在育種事件中通過去雄雜交構建分離群體,從中篩選優良單株進行純化,是高粱創制新品系的重要方法之一,其最終目的是產生含有各種變異類型的雜種后代群體,而對變異類型的識別和選擇是最后育成符合育種目標新品種的關鍵[21]。但是,高粱株型育種中,往往需要兼顧許多性狀,在F2代鑒定時需要投入大量的人工和時間[22~23],而由于經驗和選擇標準的差異,在選擇的過程中通常達不到理想的效果。所以對F2分離群體的株型性狀進行綜合分析和評價,在高粱株型育種實踐中具有非常重要的指導意義[24]。而通過主成分分析方法,能夠較為全面且綜合的了解高粱株型性狀的主成分構成及其特征和生物學意義,提高篩選優異株型品系的準確性,減少田間工作量,加快工作效率[25]。

高粱株型性狀多為復雜的數量性狀,且根據育種經驗,往往不同株型性狀多存在緊密的遺傳連鎖關系,基于以上問題,本文通過表型分析、綜合評價以及聚類分析等方法對以恢復系7037和矮四為親本構建的高粱F2分離群體的株型進行綜合評價,發現F2群體中7個株型性狀的變異豐富,且性狀間相關關系復雜,不同性狀間可能存在復雜的遺傳連鎖關系,這導致對單一性狀的改良將極大可能影響其他性狀,故而通過因子降維和主成分分析等手段,將7個株型相關性狀分解為株高因子、適宜機械化因子、光合能力因子、葉面積因子4個主成分,避免了原始性狀變量間的多重線性關系,大大提高了株型評價篩選的準確性和效率。4個公共因子中,第一公共因子為株高因子,貢獻率為38.9%,說明株高因子為株型的最重要影響因素,在以后的株型育種工作中應該首先考慮后代品系的株高因子,與趙欣蕊等的研究結果相符[9]。在本研究中的株高因子不僅包括單純的株高性狀,還包括柄伸長度、穗柄長度以及第一到第二葉距離等3個指標,這3個指標同樣是高粱理想株型的主要組成,長柄伸有利于機械化收獲的整齊性,減少收獲過程中的籽粒損耗,同時也利于穗部的受光姿態和空氣交流,降低穗部濕度,減少穗部霉病的發生,從而增加籽粒的充實度及千粒重[26~28]。另外F2群體中各家系晉代為后續的育種純系也往往需要大量的人力,物力和時間成本,所以為了加快選擇進程,以加權后主成分得分為決定因子對82份F2代家系進行聚類分析,得到在以后株型育種中潛力較高的家系35份,做為后續的重點關注對象。該研究為高粱的理想株型育種提供了理論依據,并為株型突破性新品種的選育提供了重要的材料基礎。