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甜高粱新品種(系)綜合評價與聚類分析論文
高粱[Sorghumbicolor（L.）Moench.]是世界五大谷類作物之一，也是中國最早栽培的禾谷類作物之一。甜高粱是粒用高粱的一個變種，甜高粱除具有普通高粱的一般特征外，其莖稈中還含有大量的汁液和糖分，其籽�？墒秤谩曈�、釀酒，莖稈可飼用、制糖、釀酒、做飲料、提煉酒精等，稈渣還可制紙、制板、人造纖維等。甜高粱作為一種新興的飼料、糖料、能源作物，極具開發(fā)價值[1-4]。
聚類分析方法在研究作物品種資源的差異和分類方面已有不少應(yīng)用，是一種比較可行的分析評價方法[5-7]。作物生物學(xué)性狀的聚類分析是其種質(zhì)資源評價的重要方面[8-9]。表型性狀的調(diào)查測定相對簡單、易操作，而且更直觀，是種質(zhì)資源研究的最基本方法，也是分類不可缺少的重要依據(jù)之一[10-11]。將差異顯著的N個性狀變換為既不具相關(guān)性又能反映原來多個性狀主要信息的綜合指標(biāo)進(jìn)行聚類分析，進(jìn)而比較親本間的遺傳差異，達(dá)到歸類使用的目的[12-13]。本研究通過甜高粱新品種（系）在全國不同生態(tài)環(huán)境下的主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的表現(xiàn)，采用多元統(tǒng)計分析方法，探討它們之間的量化關(guān)系，從而對各個參試品種（系）進(jìn)行綜合評價和聚類分析，為甜高粱新品種（系）的推廣、高產(chǎn)高效栽培、品種的改良、品質(zhì)的提高提供參考依據(jù)。
1材料與方法
1.1材料
供試甜高粱材料為2014—2015年全國高粱品種區(qū)試能源青貯組區(qū)試參試品種（系）。編號1～15的名稱依次為遼甜14-1、中科甜5號、311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜6號、遼甜14-3、吉甜雜2號、遼甜15-1、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、154A3×Pi571、遼甜15-4、晉甜1401、遼甜15-3。試驗分別安排在江蘇鹽城、內(nèi)蒙古赤峰、內(nèi)蒙古通遼、山西晉中、安徽蚌埠、湖南長沙、河南鄭州、山東濟(jì)南、吉林公主嶺、吉林吉林、遼寧沈陽、甘肅平?jīng)�、遼寧朝陽、河北石家莊14個試點(diǎn)進(jìn)行。均采用直播的方式，隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，行長5m，小區(qū)面積不少于15m2。收獲時，去掉兩側(cè)邊行（兩側(cè)各1行），收中間數(shù)行計產(chǎn)，收獲面積不少于10m2，密度75000株/hm2。栽培管理略高于當(dāng)?shù)匾话闼健?/p>
考察植株性狀有株高X1（cm）、莖粗X2（cm）、分蘗數(shù)X3（個）、生育期X4（d）、傾斜率X5（%）、倒折率X6（%）、穗長X7（cm）、穗粒質(zhì)量X8（g）、千粒質(zhì)量X9（g）、育性X10（%）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量X11（kg/hm2）、籽粒產(chǎn)量X12（kg/hm2）、莖稈含糖錘度X13（%）、莖稈出汁率X14（%）、絲黑穗病接種發(fā)病率X15（%）共15個。
1.2方法
采用變異系數(shù)、主成分分析、聚類分析、判別分析、多元方差分析方法[6]進(jìn)行分析，以期找出具有生物學(xué)及專業(yè)意義的統(tǒng)計參數(shù)，為甜高粱新品種（系）進(jìn)行綜合評價并制定性狀改良決策，為適應(yīng)沿海灘涂飼料化利用提供有益的信息。數(shù)據(jù)處理采用SPSS22.0軟件[14]。
2結(jié)果與分析
2.1主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的遺傳變異分析
變異系數(shù)是測定作物各性狀受一定環(huán)境條件影響發(fā)生變異程度的一個指標(biāo)，它能反映出作物性狀遺傳的基本動態(tài)。甜高粱品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的平均值與變異系數(shù)見表1。
由表1可以看出，絲黑穗病接種發(fā)病率變異系數(shù)最大，高達(dá)127.47%；其次是育性，為74.94%。由此可見，供試甜高粱品種（系）抗病性和育性具有較豐富遺傳多樣性，改良空間較大。平均生育期132.3d，變異系數(shù)3.75%；莖稈出汁率平均為47.8%，變異系數(shù)3.91%，表明這2個性狀受外部環(huán)境因素及栽培條件的影響較小，主要受遺傳因子支配。其他性狀的變異系數(shù)依次為株高<穗長<莖稈含糖錘度<鮮質(zhì)量產(chǎn)量<籽粒產(chǎn)量<分蘗數(shù)<千粒質(zhì)量<莖粗<傾斜率<穗粒質(zhì)量<倒折率。
2.2主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析
表2顯示，株高（X1）與生育期（X4）、鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)，與倒折率（X6）呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗（X2）與千粒質(zhì)量（X9）呈顯著負(fù)相關(guān)；分蘗數(shù)（X3）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈極顯著正相關(guān)；生育期（X4）與倒折率（X6）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負(fù)相關(guān)，與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈極顯著正相關(guān)；倒折率（X6）與鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）呈顯著負(fù)相關(guān)；穗粒質(zhì)量（X8）與籽粒產(chǎn)量（X12）呈極顯著正相關(guān)，與莖稈含糖錘度（X13）呈極顯著負(fù)相關(guān)；千粒質(zhì)量（X9）與絲黑穗病接種發(fā)病率（X15）呈顯著負(fù)相關(guān)；鮮質(zhì)量產(chǎn)量（X11）與莖稈出汁率（X14）呈極顯著正相關(guān)；其余性狀之間呈正或負(fù)相關(guān)性但均不顯著。由此可見，這些性狀間存在著正負(fù)、強(qiáng)弱相關(guān)錯綜復(fù)雜的關(guān)系，致使它們提供的相關(guān)信息出現(xiàn)重疊，不易尋求其簡明的變化規(guī)律，所以須進(jìn)行主成分分析，以便找出影響各個性狀的主成分。
2.3主成分分析
利用表2中得到的相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行主成分分析，結(jié)果提取前5個主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)85.442%，已代表所考查性狀的絕大部分相關(guān)信息。由相關(guān)系數(shù)矩陣的前5個特征值及相應(yīng)的特征向量計算所得的主成分載荷矩陣如表3所示。
這些載荷表示該因子對變量的影響程度，如株高性狀值=0.706f1-0.241f2+0.543f3+0.153f4+0.202f5；莖粗性狀值=0.213f1+0.089f2+0.452f3-0.745f4-0.382f5等。共同度表示所選主成分對變量方差的貢獻(xiàn)率，其數(shù)值大小表明所選主成分能反映該變量變異信息的多少。因此從表3可以看出，共同度最小的為傾斜率（59.9%），其次是穗長（696%）、莖稈出汁率（70.6%）、莖稈含糖錘度（77.8%），其余各性狀的共同度均超過80%，表明所選的5個主成分能較好地反映這些性狀所包含的相關(guān)信息。
基于求得的主成分載荷矩陣（表3）及各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值，按式F=A×Z[其中F、A、Z依次為主成分得分、載荷矩陣參試品種（系）的因子得分值、樣本矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化]計算各參試品種（系）的主成分得分，結(jié)果見表4。
2.4聚類分析
根據(jù)所選15個主要農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量品質(zhì)性狀，對15個區(qū)試品種（系）進(jìn)行聚類。首先利用主成分將15個性狀在保留它們變異總信息量85.442%的前提下濃縮為5個主成分，再將所選各性狀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)一步利用5個主成分和各性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值計算供試品種（系）相對應(yīng)于第1、第2、第3、第4、第5主成分上的得分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)聚類[品種間相似性尺度用閔式（minkowski）距離P表示，P=15，聚類方法用離差平方和表示]，系統(tǒng)聚類結(jié)果如圖1所示。結(jié)果表明，15個品種（系）可以聚為四大類。第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、遼甜15-4；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3；第Ⅳ類包括中科甜5號、吉甜雜2號、遼甜15-1。
2.5判別分析
為了驗證上述聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確合理性，基于聚類結(jié)果，以5個主成分作為判別變量，采用一般判別分析方法，建立判別函數(shù)（表5）。根據(jù)判別函數(shù)，對參試品種（系）重新判別歸類，判別結(jié)果見表6。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，類別Ⅰ共有7個品種（系），用判別函數(shù)回代分類，與實(shí)際相符也是7個品種（系），沒有錯分，判別的準(zhǔn)確率為100%；同樣類別Ⅱ、類別Ⅲ、類別Ⅳ判別的準(zhǔn)確率也均為100%。由此可見，上述聚類分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。
2.6不同類型品種（系）主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量品質(zhì)性狀的多元方差分析
由表7可以看出，第Ⅰ類7個品種（系）的平均株高中等，為353.2cm；莖粗為2.3cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個；生育期中等，為132.5d；倒折率中等，為16.2%；穗粒質(zhì)量最高，為67.7g；千粒質(zhì)量中等，為27.5g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為73636.5kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最高，為4318.5kg/hm2；莖稈含糖錘度最低，為16.4%；莖稈出汁率中等，為47.2%；絲黑穗病接種發(fā)病率較低，為7.1%，對于這類品種（系）應(yīng)重點(diǎn)改良莖稈含糖錘度、鮮質(zhì)量產(chǎn)量等方面，同時提高抗倒伏性，以滿足市場需求。
第Ⅱ類2個品種（系）的平均株高中等偏下，為339.8cm；莖粗最細(xì)，為2.1cm；分蘗數(shù)最少，為1.2個；生育期中等，為133.5d；倒折率中等偏低，為13.4%；穗粒質(zhì)量中等，為59.2g；千粒質(zhì)量最高，為31.5g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，為75916.5kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等，為3853.5kg/hm2；莖稈含糖錘度最高，為18.6%；莖稈出汁率最低，為46.9%；絲黑穗病接種發(fā)病率最低，為0.4%，屬優(yōu)質(zhì)品種（系）。對此類品種（系），應(yīng)重點(diǎn)提高產(chǎn)量。
第Ⅲ類3個品種（系）的平均株高最高，為364.1cm；莖粗為2.3cm；分蘗數(shù)中等，為1.3個；生育期最長，為137.8d；倒折率最低，為13.2%；穗粒質(zhì)量最低，49.5g；千粒質(zhì)量最低，為23.7g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最高，為83698.5kg/hm2；籽粒產(chǎn)量最低，為3448.5kg/hm2；莖稈含糖錘度較高，為17.4%；莖稈出汁率最高，為50.3%；絲黑穗病接種發(fā)病率中等，為128%，這類品種（系）產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好。
第Ⅳ類3個品種（系）的平均株高最低，為324.3cm；莖粗中等，為2.2cm；分蘗數(shù)最多，為1.5個；生育期最短，為125.3d；倒折率最高，為21.2%；穗粒質(zhì)量中等，為58.3g；千粒質(zhì)量中等偏低，為25.1g；鮮質(zhì)量產(chǎn)量最低，為70098.0kg/hm2；籽粒產(chǎn)量中等偏低，為3612.0kg/hm2；莖稈含糖錘度中等偏低，為16.9%；莖稈出汁率中等，為470%；絲黑穗病接種發(fā)病率最高，為43.2%，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系），且易倒伏。對這類品種（系）除著重提高產(chǎn)量外，同時加強(qiáng)品質(zhì)改良。
3結(jié)論與討論
本研究對能源青貯組區(qū)試新品種（系）株高、莖粗、分蘗數(shù)、生育期、傾斜率、倒折率、穗長、穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、育性、鮮質(zhì)量產(chǎn)量、籽粒產(chǎn)量、莖稈含糖錘度、莖稈出汁率、絲黑穗病接種發(fā)病率共15個數(shù)量性狀進(jìn)行研究，經(jīng)主成分分析歸屬于5個主成分，其累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)85.442%。主成分分析對這15個錯綜復(fù)雜關(guān)系的性狀進(jìn)行了有效降維，能夠準(zhǔn)確反映原性狀的主要信息。在此基礎(chǔ)上計算各品種（系）在主成分上的得分值，據(jù)此進(jìn)行聚類分析，同時對聚類結(jié)果進(jìn)行判別分析，驗證聚類分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
在主成分分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聚類分析，將15個區(qū)試甜高粱品種（系）聚為四大類，第Ⅰ類包括遼甜14-1、遼甜6號、遼甜14-3、3436A×Pi57、遼甜15-2、科甜5號、遼甜15-4，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等偏低，莖稈含糖錘度低，較易倒伏，抗病性較好；第Ⅱ類包括154A3×Pi571、晉甜1401，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量中等，莖稈含糖錘度和抗病性好，屬中產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種（系）；第Ⅲ類僅為311A/LTR108、遼甜14-2、遼甜15-3，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量高，莖稈含糖錘度和抗病性較好，屬產(chǎn)量、品質(zhì)結(jié)合性較好的品種（系）；第Ⅳ類包括中科甜5號、吉甜雜2號、遼甜15-1，這類品種（系）鮮質(zhì)量產(chǎn)量低，易倒伏，莖稈含糖錘度偏低，絲黑穗病接種發(fā)病率高，屬低產(chǎn)低質(zhì)品種（系）。
主成分分析和聚類分析被廣泛用于研究種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系，但由于是通過利用生物學(xué)性狀的途徑進(jìn)行的，而生物學(xué)性狀個體量綱不一致，因此在利用統(tǒng)計軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時，須對數(shù)據(jù)先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，再進(jìn)行主成分分析和聚類分析，否則可能得出錯誤結(jié)論[15]。
本研究甜高粱生物學(xué)性狀數(shù)據(jù)來源于國家區(qū)域試驗，由于這些性狀不是在同一時期內(nèi)測定，并且表型性狀容易受環(huán)境條件的影響而變動，因此有其不足之處，可能難以詳細(xì)準(zhǔn)確地闡明品種（系）間的差異。
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