黄河流域棉花品种农艺性状的主成分及聚类分析

李武　谢德意　赵付安等

摘要： 选取102个黄河流域棉花品种作为试验材料，对棉花9个农艺性状进行主成分及聚类分析。结果表明，通过主成分分析将9个农艺性状简化为彼此互不相关的5个主成分，即第一果枝节位因子、果枝数因子、籽指因子、单铃质量因子、生育期因子，其累计贡献率达88.34%，可反映所有性状的绝大部分变异信息。利用5个主成分因子进行聚类分析，102个品种被划分为6个类群，在6个类群中除中国农业科学院棉花研究所的品种外，其他来自同一地区的棉花品种亲缘关系较近，往往聚集在一起，可能与育种单位培育新品种时选配亲本的遗传基础狭窄有关。研究结果可为棉花育种亲本选配提供理论依据。

关键词： 棉花品种；农艺性状；主成分分析；聚类分析

中图分类号： S562.03 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2015）08-0082-04

农作物的遗传多样性是其遗传改良的基础，也是核心种质构建及杂种优势群划分的重要依据 [1]。目前，中国棉花新品种培育仍以杂交育种为主，研究棉花资源的特性及分类是选配杂交亲本的基础。利用主成分分析在水稻 [2]、小麦 [3]、玉米 [4]、大豆 [5]、棉花 [6-7]等作物研究应用较多，为育种工作者对某些性状的选择和改良提供了依据，提高了选择效率，但将主成分分析与聚类分析相结合综合评价棉花种质资源的报道甚少，为拓宽黄河流域棉花的遗传基础，提高其遗传多样性，丰富杂交育种的亲本资源，本研究在对黄河流域102个棉花品种的9个农艺性状在主成分分析的基础上进行聚类分析，研究棉花遗传多样性，旨在客观评价上述品种，为棉花育种材料的选择提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

棉花品种由中国农业科学院棉花研究所、河南省农业科学院经济作物研究所提供，共102个品种，品种名称及编号见表1。

1.2 方法

1.2.1 田间种植 2013年，将102份材料种植于河南省农业科学院原阳试验田。试验采用随机区组设计，3次重复，每小区2行，行长4.5 m，行距0 .9 m，株距0.3 m，田间管理方法与当地常规种植相同。

1.2.2 性状调查及分析 每小区选取中间有代表性的棉花10株，考察性状有株高、营养枝、第一果枝着生节位、果枝数、单株铃数、单铃质量、衣分、籽指、生育期9个性状，数据利用Excel和DPS软件进行方差分析、主成分分析、聚类分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状方差分析

对102个棉花品种的生育期、株高、营养枝、第一果枝着生节位、果枝数、单株铃数、单铃质量、衣分、籽指进行方差分析（表2），结果表明，品种间9个农艺性状差异均达到极显著水平，均可以进行主成分分析。

2.2 农艺性状间相关性分析

相关分析结果（表3）表明，黄河流域棉花品种生育期与营养枝、第一果枝着生节位、单株铃数，株高与营养枝、第一果枝着生节位、单株铃数，单铃质量，第一果枝着生节位与单株铃数，果枝数与单株铃数，单株铃数与衣分呈极显著正相关；生育期与株高，株高与果枝数，营养枝与单铃质量，第一果枝着生节位与单铃质量、衣分呈显著正相关；营养枝与果枝数，第一果枝着生节位与果枝数，衣分与籽指呈极显著负相关。表明棉花品种株高越高相应的营养枝、果枝数、单株铃数增多，单铃质量提高，生育期延长；棉花品种第一果枝着生节位较高，生育期延长，营养枝较多，单株铃数增多，单铃质量提高，衣分也会上升；同一品种的籽指越大，相应的衣分就会降低，导致皮棉产量下降。

2.3 主成分分析

主成分分析结果表明，9个农艺性状中前5个特征值的累积贡献率达88.34%，说明棉花性状的相关信息可以由前5个主成分来概括（表4）。选取前5个主成分及特征向量列表5，特征向量的大小表示供试品种各农艺性状对主成分贡献的大小。第1主成分特征值为3.091，相应贡献率为34346%，从表5第1主成份中第一果枝着生节位特征向量值最大，说明第一果枝着生节位对第1主成分影响最大，其次是营养枝，因此，可以将第1主成分称为第一果枝着生节位因子，第1主成分值增大，第一果枝着生节位增高，营养枝增多，生育期延长。第2特征值是1.668，贡献率是18.528%，从表5可以看出[CM（25]，第2主成分中果枝数的特征向量最大，其次是单株铃数，

说明果枝数对第2主成分影响较大，称之为果枝数因子，当品种的果枝数越多，单株铃数越多，单铃质量和衣分越大，产量就越高，而相应的第一果枝着生节位降低，营养枝减少，生育期缩短。第3个主成分特征值为1.345，贡献率为14945%，其中籽指的特征向量最大，其次是株高和果枝数，因此将第3个主成分称之为籽指因子，当品种的籽指增大，相应的株高增高，果枝增多但衣分降低，生育期缩短，因此第3个主成分值不宜过大。第4个主成分特征值为0.987，贡献率为10970%，第4个主成分中单铃质量的特征向量最大（负值），说明单铃质量对第4主成分影响最大，其次是单株铃数和生育期，因此第4个主成分为单铃质量因子，单铃质量减少，相应的株高和果枝节位降低，营养枝减少，单株铃数和果枝数增多，生育期延长。第5个主成分特征值为0.860，贡献

率为9550%，第5个主成分中生育期的特征向量最大，因此称之为生育期因子，生育期延长，则相应品种果枝数，单株铃数、单铃质量增加。

2.4 棉花品种聚类分析

本研究利用主成分将9个性状在保留它们变异总信息量88.34%的前提下浓缩为5 个主成分，然后利用5个主成分和各性状的标准化值计算各个棉花品种相对应的5个主成分得分进行R型聚类分析，采用离差平方和法进行系统聚类分析。结果表明，当欧式距离在9.81时可以将102个棉花品种划分为6大类（图1）。

第1类群包括中棉所12、晋棉19号、豫棉3号、鲁棉21、鑫秋1号、鲁棉研21、鲁棉研22、鲁棉研17号、冀棉228、晋棉38、鲁棉32、鲁棉研27、鲁棉26、鲁棉研36、鲁棉29、鲁棉研16、鲁K638、银山4号、中棉所44、晋棉36号、鲁棉37、鲁棉研28、鲁棉22、鲁棉研32共24个品种，对农艺性状分析结果，第1类属于株高较高、营养枝和果枝较多、第一果枝着生节位最高、结铃性好、衣分最高、产量最高的一类品种（表6）。

第2类群包括中棉所21、中棉所23、中棉所41、郑农棉4号、中棉所30、中棉所35、晋棉13、中棉所3474、鲁棉研29、豫棉5号、中棉所40、中棉所69共12个品种，对农艺性状分析结果，第2类属于植株较高、生育期较长、营养枝和果枝较多、结铃性好、籽指偏大、衣分较低的一类品种。

第3类群包括中棉所22、中棉所33、中棉所32、豫棉19号、银山8号、银山6号、中棉所49、豫棉4号、鲁棉27、豫棉17、新研96-48、晋棉12号、豫棉21、中棉所51504、豫棉15号、中棉所8010、冀邯3号、豫棉18、豫棉2号、豫棉1号共 21个品种，第3类属于植株较低、生育期较长、果枝和结铃数少、单铃质量低、衣分一般、产量较低的一类品种。

第4类群包括冀棉26、冀合321、冀棉91-19、冀棉19、冀958、中棉所34、冀棉25、豫棉16、冀棉15、冀棉20、冀棉169、冀668共12个品种，通过性状分析第4类品种属于植株中等、生育期适中、果枝数和结铃性一般、单铃质量最大、衣分较高的一类品种。

第5类群包括中棉所24、中棉所43、中棉所79、鑫秋4号、中棉所25、中棉所31、冀棉28、邯4849、鲁棉研19、鲁棉28、鲁研棉18、中棉所45、豫棉20、冀棉668、豫棉668、豫棉112共16个品种，此类品种属于植株中等、生育期适中、营养枝较少、果枝多、结铃较好、单铃质量与籽指较低、衣分和产量高的一类品种。

第6类群包括冀棉27、晋33、晋742、晋棉16、晋27、秋乐5号、晋棉18号、晋棉17、晋棉21、晋棉24、晋棉20、晋中200、晋棉26、晋棉25、晋棉28号、晋棉29、晋棉14、晋中169共18个品种，此类品种属于生育期短、营养枝较少、第一果着生枝节位较低、结铃少、衣分和产量都较低的早熟品种。

从聚类分析结果可以看出，来自中国农业科学院棉花研究所的23个品种有20个品种主要分散聚集在第2、第3、第5类群中，分别有8、6、6个品种，说明所育成品种遗传多样性较丰富，而其他来自同一地区的品种往往聚集在一起，如鲁棉系列共22个品种，有16个品种在第1类群，在2、3、5、6类群中则分别有1、1、2、1个品种；冀棉系列共16个品种，有11个品种在第4类群，在1、3、5、6类群中则分别有1、1、2、1个品种，说明同一来源地品种亲缘关系较近。在杂交育种亲本选择及杂交优势利用上，不能仅仅只关注品种的来源地，从不同类群进行亲本组配成功率可能会更大一些。

3 讨论

遗传多样性是新品种亲本选配和杂种优势利用的基础，种质资源表型多样性一直是育种工作者搜集材料的核心问题。目前，利用分子标记研究种质资源的遗传多样性与其表型多样性难以对应的阶段，从表型角度了解种质资源的遗传多样性具有不可替代的地位 [8-9]。高产一直是育种工作者追求的目标，但与产量相关的性状较多且相互之间存在相关性，育种工作者往往仅关注与目标性状相关的少数性状，如果仅凭少数性状的表现型对种质资源进行评价，然后进行亲本选配必定带有主观性；主成分分析法中的每个主成分是一个相对独立的指标体系，各个主成分之间不存在相关性且数值直观容易分析 [10]。本研究对来自黄河流域102份品种的9个农艺性状进行主成分分析和聚类分析，结果表明，9个农艺性状之间均表现显著差异，说明这些品种之间差异较大；主成分将9个性状在保留它们变异总信息量88.34%的前提下浓缩为5 个彼此不相关的主成分，即第一果枝着生节位因子、果枝数因子、籽指因子、单铃质量因子、生育期因子，在此基础上利用5个主成分和各性状的标准化值计算各个棉花品种相对应的5个主成分得分进行聚类分析，102个棉花品种被划分为6个类群，其中第1、第5类群品种产量综合性状较好。

本研究聚类分析结果，中棉所23与中棉所25分别属于不同类群，本结论与王沛政等的研究结果 [11]不一致，可能与利用性状研究种质资源遗传多样性时，其遗传距离计算受基因型、环境、聚类方法以及聚类分析所依据的性状有关，因此利用相同的种质资源可能会得出不同的聚类结果，这可能是通过农艺性状聚类相似度较低的原因 [12]。本研究中除来源于中国农业科学院棉花研究所的品种外，其他来自同一地区的品种亲缘关系较近，往往聚集在一起，这可能与育种单位培育新品种时选配亲本的遗传基础狭窄有关。有些品种虽然来源于不同地区，但聚集在一类群，说明棉花品种的遗传差异与地理位置的远近无关，与前人研究的结果 [13]一致。因此，在杂交育种亲本选择及杂交优势利用上应考虑在不同类群选择，而不必考虑地理位置，这样组配成功率可能会更大一些。

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