甜高梁种质资源主要农艺性状的主成分及聚类分析

时间：2024-05-24

王官　赵威军　张阳　邵荣峰　张伟　薛丁丁　范国华　王磊

摘要：为了解甜高粱种质资源的多样性，充分挖掘利用其有益基因，提高甜高梁育种效率。本试验对15份甜高梁种质资源的7个农艺性状进行遗传变异、相关性、主成分及聚类分析。结果表明：7个农艺性状中锤度变异系数最大，为31.22%;茎粗变异系数最小，为7.73%。相关性分析结果显示，株高与茎粗呈极显著负相关，与穗粒重、千粒重呈弱负相关;锤度与其他6个性状相关性较弱。主成分分析结果表明，株型因子、籽粒产量因子、锤度因子累计贡献率达83.115%，可基本反映7个农艺性状的遗传信息。通过聚类分析将15份甜高粱种质资源分为4大类，各类群间农艺性状差异明显，其中第Ⅲ、第Ⅳ类群性状优良，可作为核心种质资源进一步挖掘利用。

关键词：甜高梁;农艺性状;主成分分析;聚类分析;遗传变异

中图分类号：S514

文献标志码：A

论文编号：cjas19010006

0引言

甜高梁（Sorghum bicolor L.Moench），又称甜秆、芦粟、糖高粱，是普通粒用高梁的一个变种，具有生物产量高、含糖量高、抗逆性强等特点[1-2]，既可作为粮食作物、糖料作物，又可作为饲料作物和能源作物[3]。2016年农业农村部关于《全国种植业结构调整规划（2016-2020）》中将甜高梁列为主要发展的优质饲草料[4]，2017年山西省农业农村厅制定的《山西省杂粮产业振兴规划》（2017-2020）也将甜高梁列为重点发展作物[5]。因此，在山西地区加强甜高梁研究具有重要的现实意义。

甜高梁种质资源的多样性是其种质创制、品系选育的重要基因来源，是培育高产、优质杂交种的重要物质基础[2，6]。加强种质资源遗传多样性研究，不仅有助于了解甜高梁种质资源的遗传背景及亲缘关系，也可为资源的合理开发利用提供理论依据[7]。目前，对甜高梁资源多样性研究主要通过形态学标记和分子标记。A.H.Assar等[8]利用SSR分子标记对来源于苏丹、印度及美国的96份种质资源进行遗传多样性分析结果表明，利用分子标记的研究结果与地理来源和表型性状相符;Ali等[9]对72份甜高粱材料SSR分析得到的聚类结果与己知家谱和遗传背景信息相吻合;赵香娜等[6，10]对206份国内外甜高粱种质资源分析结果表明，甜高梁遗传多样性丰富，且随着生育期的变长其生物产量和含糖锤度有所提高。

总体上看，目前甜高梁种质资源评价和育种研究基础还相对薄弱，多数研究集中于国内外核心种质材料，而对自主创制品系材料的形态类型、特征优势的研究还相对较少。因此，本研究通过对15份甜高梁种质资源的7个农艺性状进行遗传变异、相关性、主成分及聚类分析，以期为甜高梁种质资源利用和遗传育种提供参考依据。

1材料与方法

1.1试验时间、地点

试验于2018年在山西省晋中市修文镇（山西省农业科学院高梁研究所东白试验基地）试验田进行。甜高粱全生育期月平均气温19.96C，月平均降雨量20.13 mm，光照充足，土壤为壤土，肥力中等，前茬为玉米。

1.2试验材料

供试15份甜高梁种质资源名称及来源，见表l。

1.3试验方法

1.3.1试验设计试验采用完全随机区组设计，3次重复，每次重复为1个小区，小区面积为4 m2（5 mx 0.8 m）。2018年4月27日采用人工条播方式种植，株行距为0.2 mx0.4 m，播前施农家肥45m3mm2、复合肥（N、P、K含量分别为28%、15%、8%）600 kg/hm2，整个生育期不再追肥。全生育期间除草2次、灌溉1次，其他管理同常规大田。

1.3.2测定项目收获时，每小区随机选取10株统计测定株高、茎粗、穗柄长、穗长、穗粒重、千粒重，用手持式锤度仪测量含糖锤度。

1.3.3统计分析采用Excel 2007计算15份甜高粱种质资源7个主要农艺性状的均值、变异系数等，运用SPSS 20软件进行相关性、主成分及聚类分析。

2结果与分析

2.1甜高粱农艺性状遗传变异分析

表2表明，不同甜高梁材料其农艺性状间存在差异。7个农艺性状的变异系数从大到小依次为：锤度>株高>粒重>穗柄长>穗粒重>穗长>茎粗。其中，锤度和株高变异系数最大，分别为31.22%和24.32%;其次为千粒重、穗柄长、穗粒重、穗长，变异系数分别为21.23%、20.31%、18.59%、14.29%;变异系数最小的为茎粗，仅为7.73%。以上结果表明，15份甜高梁种质材料在锤度和株高两性状上变异丰富，性状选择潜力较大。

2.2甜高粱农艺性状相关性分析

由表3可知，甜高粱7個农艺性状之间存在彼此影响、相互制约的关系。其中，株高与穗柄长、锤度呈正相关，与茎粗、穗长、穗粒重、千粒重呈负相关，且与茎粗、穗长相关性水平达极显著;茎粗与穗长、穗粒重呈正相关，与穗柄长、千粒重、锤度呈负相关，且与穗柄长、穗长相关性达极显著;穗柄长与穗长、穗粒重、千粒重、锤度呈弱负相关;穗长与穗粒重、千粒重、锤度呈弱负相关;穗粒重与千粒重呈显著正相关，与锤度呈弱负相关;千粒重与锤度呈弱正相关。可见不同性状之间存在信息重叠，可以对这些性状变量进行降维处理。

2.3甜高梁农艺性状主成分分析

采用SPSS 20软件对供试材料7个性状进行主成分分析，分析结果（见表4）显示，在所有主成分构成中特征值大于1的有3个，分别命名为MF1、MF2、MF3。其中，MF1的特征值为2.800，贡献率为39.994%;MF2的特征值为1.823，贡献率为26.039%;MF3的特征值为1.196，贡献率为17.082%;前3个主成分累积贡献率达83.115%。表明提取的3个主成分基本可以概括反映供试材料的7个农艺性状因子信息。

旋转后因子载荷矩阵表5表明，在MF，中，载荷较高且为正值的性状为茎粗、穗长，载荷值分别为0.914和0.820，载荷较高且为负值的性状为株高、穗柄长，载荷值分别为-0.848和- 0.614。此结果表明，株高、穗柄长与茎粗、穗长呈负相关关系，这与相关性分析结果相一致，且株高、茎粗、穗长、穗柄长这些性状主要与植株株型有关，因此可称MF1为株型因子。在MF2中，载荷较高的性状为穗粒重、千粒重，载荷值分别为0.893和0.867，且均为正值。这说明穗粒重与千粒重呈正相关关系，这些性状均与植株籽粒产量有关，因此可称MF2为籽粒产量因子。在MF3中，载荷最高的为锤度，载荷值为0.887，因此称MF3为锤度因子。

2.4聚类分析

采用SPSS 20统计软件对15份甜高梁种质资源进行系统聚类分析，在欧氏距离为5处分为4大类（见图1），各类群间农艺性状差异明显。第1类包含‘糖479B'1份材料，该类群植株高度中等，长穗柄，籽粒产量较高，低甜;第II类包含‘闵革甜高梁B、‘E656/sug中杆2份材料，该类群檀株茎秆矮壮，长穗，籽粒产量较高，低甜;第III类包含‘帚选黄株矮/品02283、‘冯FH59、‘038/sug中杆、‘晋五/sug中杆、‘哈T-l、‘sug中杆6份材料，该类群植株茎秆高细，短穗，较甜;第Ⅳ类包含‘海糖、‘中兴653411、‘济甜1号、‘高SG92、‘14054、‘高T34共6份材料，该类群主要特征为茎秆高，籽粒轻且籽粒产量低，中甜。

3结论

（1） 15份甜高梁种质资源的农艺性状间存在差异，遗传多样性丰富，且不同性状间相互影响，彼此制约。7个农艺性状变异系数从大到小依次为：锤度>株高>千粒重>穗柄长>穗粒重>穗长>茎粗。相关性分析表明，株高与茎粗、穗长呈极显著负相关;茎粗与穗长呈极显著正相关，与穗柄长呈极显著负相关;穗粒重与千粒重呈显著正相关，其他性状间相关性均不明显。

（2）7个农艺性状依据主成分分析提取为株型、籽粒产量、锤度3个因子，其累计贡献率达83.115%;系统聚类法将15份甜高梁种质资源分为4大类，各类群间性状既存在着差异又有一定相似。

4讨论

遗传多样性又称基因多样性，是生物多样性的基本组成部分，是生态多样性和物种多样性的基础，通过遗传多样性研究可从整体上把握甜高梁种质资源，为甜高梁品系改良和选育提供重要信息支撑[11-13]。

2008年中国农业科学院作物科学研究所赵香娜等[14]对206份国内外甜高梁种质资源统计分析结果表明，锤度、株高变异系数较高，分别为47.02%和20.92%：2015年邵初阳等”[15]对南京地区种植的88份国内外甜高梁种质资源的7个主要数量农艺性状进行调查与测定，结果显示锤度变异系数高达38.14%;2018年杨珍等”[16]对甘肃1 1份甜高梁8个农艺性状进行遗传多样性分析，结果表明株高变异系数最大，为19.44%。本研究通过对15份甜高梁种质资源的7个农艺性状进行遗传变异分析，结果显示不同甜高梁材料其农艺性状间存在较大差异，7个性状除茎粗外，其余性状变异系数均在14%以上，表现出了丰富的遗传多样性，而株高、锤度变异系数最大，分别为24.32%和31.22%，这与上述研究结果基本一致，均认为甜高梁在株高、锤度性状上可以通过品种改良和栽培措施改善而获得较大程度的提高。

相关性分析是了解多个性状间是否相关、相关性质及密切程度的一种多元统计分析方法[17-18]。本研究对供试材料的7个农艺性状相关性分析结果显示，株高与茎粗呈极显著负相关，与穗粒重、千粒重呈弱负相关，这表明甜高梁随着株高的增加，一方面茎秆会变细，另一方面籽粒产量也会下降。另外，本研究还发现锤度与株高、茎粗、穗柄长、穗长、穗粒重、千粒重6个性状相关水平较弱，这与冯国郡、刘洋等[19-20]研究结果相一致。因此，在甜高梁育种过程中应注意各性状因子间的平衡协调。

主成分分析法也称因子分析法或主分量分析法，利用降维思想将多个相关指标转化为少数几个独立综合因子，依据各因子贡献率大小确定其重要性，即用少数的变量因子来概括解释所有变量信息[21-23]。本研究通过主成分分析将15份甜高梁种质资源的7个性状提取为3个主成分，即株型因子、籽粒产量因子、锤度因子，3个因子累计贡献率达83.115%，此研究与刘翔宇等[24]在新疆地区对甜高梁主成分分析结果相类似，均认为植株株型、籽粒产量、锤度3个因子可基本反映甜高梁主要农艺性状的遗传信息。

本研究依据遗传距离大小将15份甜高梁材料分为4大类。第1类植株高度中等，长穗柄，籽粒产量较高，低甜;第II类植株茎秆矮壮，长穗，籽粒产量较高，低甜;第1II类植株茎秆高细，短穗，較甜;第Ⅳ类植株茎秆高，籽粒轻且籽粒产量低，中甜;各类群间既存在着差异也有一定相似。其中，第1、第II类群均表现出籽粒产量高的优势，而第III、第Ⅳ类群则表现出茎秆产量高、锤度高的优势.二者之间存在着明显的性状互补，这说明两大类群间遗传距离较大，亲缘关系较远。李振武等[25-26]研究表明，甜高梁在茎秆产量、籽粒产量和锤度上均有较高的遗传力。因此，本研究认为将第1、第II类群和第1II、第Ⅳ类群二者进行杂交出现新品系概率较大。

综上可见，不同甜高梁种质资源其农艺性状间存在着较大差异，且不同性状间相互影响、彼此制约。因此在甜高梁新品系改良或选育过程中，应根据不同的育种目标有针对性地筛选基础材料，突出主因子兼顾辅因子，协调好各性状间的关系，方可提高种质资源利用率，实现综合性状最优化。

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