苦荞品种（系）聚类分析

赵建栋，李秀莲，史兴海，陈稳良，高 伟（山西省农业科学院农作物品种资源研究所，太原03003；农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，太原03003）



苦荞品种（系）聚类分析

赵建栋1，2，李秀莲2，史兴海2，陈稳良2，高 伟2
（1山西省农业科学院农作物品种资源研究所，太原030031；
2农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，太原030031）

为了直观地揭示苦荞品种（系）间的遗传差异和类群农艺性状特点，并发掘其中的良好资源，避免杂交育种过程中选配亲本的盲目性。对来自全国11个荞麦育种单位的45个苦荞品种（系）的6个主要农艺性状，进行主成分和聚类分析。结果表明：应用主成分分析将6个性状简化为3个主成分，其累计贡献率为83%。采用聚类分析，将45个苦荞品种（系）在2.76水平上聚为4大类：髙秆、中产、小粒型；中秆、高产、大粒型；中秆、低产、小粒型和髙秆、中产、中粒型。其中第2类综合性状表现较好，是良好的品种或良好的育种材料。苦荞品种（系）间遗传差异与原产地和地理距离无任何必然的联系，杂交育种选配亲本时，除考虑性状互补、地理距离等因素外，还应考虑其遗传差异（不同类群）。

苦荞；品种（系）；农艺性状；聚类分析

0　引言

苦荞［Fagopyrum tataricum（L.）Gaerth］译为鞑靼荞麦，属蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum Gaerth），英文名tartary buckwheat，为荞麦属中仅有的两个栽培种之一［1］。苦荞子粒富含其他粮食作物子粒中所缺如的功能因子—芦丁和叶绿素，具有明显的降血脂、降血糖、降尿糖作用，对糖尿病有特效，对高血脂、脑血管硬化、心血管病、高血压有很好的预防和治疗作用［2］；还具有增强机体免疫力、防癌、抗癌作用。因此中国非常重视苦荞新品种选育工作并取得了很大成就。20世纪末至2015年底，全国共育成通过国家、省（区）鉴（审、认）的苦荞品种38个，其中利用引种、单株选择、株系集团选择、理化诱变方法育成36个品种，占育成品种总数的94.7%。这些品种遗传背景狭窄，没有大的突破。利用广泛应用于其他作物育种中的杂交方法育成2个品种，仅占育成品种的5.3%。究其原因，除苦荞花器小、雄蕊多、茎秆脆难去雄的原因外，杂交亲本选配失当和杂交后代选择不准确也是主要原因。

能直观地反映作物品种资源间的遗传差异及类群性状特点的、对育种工作有很大意义的主成分和聚类分析研究，已广泛应于粮食作物的水稻［3］、小麦［4-5］、玉米［6-7］、高粱［8］和经济作物的棉花［9-10］、大豆［11-12］、向日葵［13］、亚麻［14］、芝麻［15］、甘蔗［16］、香蕉［17］以及蔬菜作物中的芥菜［18］、黄瓜［19］、花椰菜［20］和扁豆［21］中，在粮药兼用作物的薏苡［22］和苦荞中的应用也有报道。高金峰等［23］利用相关分析、主成分分析和聚类分析等方法对西藏80份苦荞资源的7个主要农艺性状进行了分析，表明西藏苦荞资源可以分为株高较矮大粒型、株高中等小粒型、植株矮小大粒型和植株高大茎秆粗壮型4个大类。李春花等［24］利用主成分分析和聚类分析法，表明云南苦荞资源可分为生育期长型、生育期中等和生育期短型3大类，其中第2类综合性状表现较好。但对来自全国苦荞主产区的栽培资源进行聚类分析的报道还很少。本研究对来自全国11个苦荞育种单位的45个苦荞品种（系）的6个农艺性状进行主成分和聚类分析，以了解品种（系）间的遗传差异和类群特点，为合理利用苦荞资源、筛选苦荞杂交亲本、合理选择育种后代提供科学依据。

表1　试验编号、品种（系）名称及供种单位

1　材料和方法

1.1试验材料

试验材料系全国11个荞麦育种单位提供的45个苦荞品种（系）（表1）。

1.2试验地点与方法

试验在山西省农业科学院农作物品种资源研究所榆次东阳基地进行，于2014年6月15日播种，随机区组排列，3次重复，小区面积（长2.5 m×宽2.0 m）5.0 m2。收获时每小区随机取样10株，考察6个主要农艺性状：株高、主茎节数、主茎分枝、二级分枝、单株粒重和千粒重。用DPS统计软件分析主成分，用欧氏距离计算遗传距离，用最短距离法进行聚类。

1.3计算公式

遗传相关系数［25］、遗传相关矩阵［26］、遗传距离［27］的计算公式分别见公式（1）、（2）、（3）。

2　结果和分析

续表1

表2　45个苦荞品种（系）各性状方差分析表

表3　45个苦荞品种（系）各性状间遗传相关系数

2.1方差分析

对45个苦荞品种（系）6个性状进行方差分析，结果表明，株高、主茎节数、一级分枝、二级分枝和单株粒重差异均达到极显著水平，千粒重达显著水平（表2），说明45个苦荞品种（系）间农艺性状差异明显、类型多样。

2.2性状间的遗传相关

对45个苦荞品种（系）6个性状进行相关分析，结果表明，苦荞一级分枝与单株粒重间存在显著正相关，二级分枝与单株粒重间存在极显著正相关，株高也与单株粒重间存在微弱的正相关。主茎节数、千粒重都与单株粒重间存在微弱的负相关（表3）。说明可以通过一级分枝、二级分枝对单株粒重进行间接选择。

2.3主成分分析

对苦荞6个数量性状进行主成分分析，选取λ≥0.9 的3个特征根作为苦荞的主成分（表4），3个入选的主成分的累计贡献率为83.0%，已经包含了大部分信息。

结果表明，苦荞第一主成分的特征向量值为2.4265，方差贡献率为40%，其对应的特征向量主要为0.5051（主茎节数）、0.4510（株高）和0.3443（千粒重），其他性状皆为负值。因此，第一主成分是以主茎节数为主的丰产株型因子。苦荞第二主成分的特征向量值为1.6548，方差贡献率为28%，其对应的特征向量主要为0.5583（单株粒重）和0.5361（二级分枝），其他性状皆为较小的正值。苦荞第三主成分的特征向量值为0.9289，方差贡献率为15%，其对应的特征向量主要为0.5954（千粒重）。综观上述分析，在进行苦荞新品种选育时，应以第一主成分的主茎节数为主的丰产株型为主导，兼顾单株粒重和千粒重，对于其他性状将不宜苛求。

2.4品种间的遗传距离

在主成分分析的基础上，计算出45个苦荞品种两两间的遗传距离（欧氏距离）。其中系统间最短距离平方根为：

表4　入选特征根与特征向量

图1　45个苦荞品种（系）的聚类图

2.5聚类分析

用最短距离法进行系统聚类，在距离值2.76处截取分类界限，得到45个苦荞品种（系）的聚类结果（图1、表5、表6）。

聚类分析结果表明，45个苦荞品种（系）可分为4大类，第1类包括29个品种（系），属髙秆、多节位、少分枝、中产、小粒型，遍布全国11个苦荞育种单位，南方北方都有，分布范围最广；第2类包括7个品种（系），属中秆、多节位、中分枝、高产、大粒型，除‘榆6-21’外，主要分布在南方；第3类包括4个品种（系），属中秆、中节位、多分枝、低产、小粒型，除‘蜜蜂头1号’外，主要分布在南方；第4类包括4个品种（系），属高秆、多节位、少分枝、中产、中粒型，全部分布在南方。

表5　45个苦荞品种（系）系统聚类表

表6　45个苦荞品种（系）系统聚类农艺性状特点（类群平均值）

3　讨论与结论

本研究利用主成分分析，将45个苦荞品种（系）的6个性状简化为3个综合指标，苦荞新品种选育时，应以主茎节数（株高）、单株粒重和千粒重为主要依据。与李秀莲等［28］推荐的标准相一致。在主成分分析的基础上，将45个苦荞品种（系）聚为4类：第1类平均株高121.2 cm、单株粒重3.3、千粒重17.9 g，属髙秆、中产、小粒型；第2类平均株高102.6 cm、单株粒重7.6 g、千粒重21.6 g，属中秆、高产、大粒型，是优良品种或选育优良品种的理想资源。事实上7个品种（系）中的2个品种‘榆6-21’和‘凤凰苦荞’分别通过青海省和国家审定，也证明了这一点。第3类平均株高89.6 cm、单株粒重1.3 g、千粒重18.1 g，属中秆、低产、小粒型；第4类平均株高136.7 cm、单株粒重3.6 g、千粒重19.9 g，属高秆、中产、中粒型。

研究结果还表明，从品种原产地看，来源于同一地区的不同品种，存在着遗传差异。例如‘榆5-7’（5号）和‘榆6-21’（6号），同产于陕西省榆林，但分属两个类群2和3。从地理远近看，来自陕西省的‘79-22’（7号）与来自四川省的‘额曲’（40号）间的地理距离，远远超过同样来自贵州省的‘90-2’（19号）与‘赫章黑苦荞’（21号）之间的地理距离，但前两者都属1个类群（1），后两者则分数2个类群2和3。可见品种间的遗传差异与地理距离间并无必然的联系。与李秀莲等［29］的研究结论一致。选配杂交亲本时除考虑性状互补、地理距离外，还应考虑其遗传差异（不同类群）。

本研究只分析了45个苦荞品种（系）的6个农艺性状，对其重要的生育期性状未作分析，若要更加深入了解苦荞品种（系）及其亲缘关系，需增加生育期、单株粒数、有效花序数等性状并结合现代分子生物技术鉴定，对其做出更加客观准确地评价。

主成分和聚类分析，不仅应用于直观揭示苦荞品种（系）间的遗传差异和类群农艺性状特点及发掘有益基因，而且能够应用于苦荞资源遗传多样性、苦荞资源整理与归类及苦荞起源中心学说方面的研究，但必须结合原产地、植物学性状、生物学特性并利用现代分子生物技术鉴定多个方面，应用于起源学说方面的研究，还应该考虑苦荞资源（包括野生资源）收集的相对全面，结合古文字记载和荞食文化等其它方面的研究。

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Cluster Analysis of Fagopyrum tataricum Varieties（lines）

Zhao Jiandong1，2，Li Xiulian2，Shi Xinghai2，Chen Wenliang2，Gao Wei2
（1Institute of Crop Variety Resources，Shanxi Academy of Agricultural Sciences，Taiyuan 030031，Shanxi，China；
2Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement on Loess Plateau，Ministry of Agriculture，Taiyuan 030031，Shanxi，China）

In order to reveal genetic differences and group characteristics among Fagopyrum tataricum varieties（lines）intuitively，and to further explore good resources and avoid the blindness of parent selection in breeding，six primary agronomic characters of 45 F.tartaricum varieties（lines）that came from the eleven buckwheat breeding departments all over the country were analyzed with principal component analysis and cluster analysis.The results showed that the application of principal component analysis simplified six agronomic characters into three principal components，the cumulative contribution rate reached 83%.By using cluster analysis，45 F.tartaricum varieties（lines）were classified into four types at the 2.76 level:high stalk，medium yield and small grains type，medium stalk，high yield and big grains type，medium stalk，low yield and small grains type，high stalk，medium yield and medium grains type，respectively.Among the four types，comprehensive traits of the second type were better than those of other types.It could be considered as the good varieties（breeding materials）.The genetic differences of F.tartaricum varieties had no necessary link with origin and geographical distance.In addition to complementary traits and the geographical distance，genetic differences（different groups）should be taken into consideration when the parents were selected in cross breeding.

F.tartaricum；Varieties（Lines）；Agronomic Characters；Cluster Analysis

S517

A论文编号：cjas16030019

国家燕麦荞麦产业技术体系“分子育种岗位专项资金”（CARS-08-A-1-3）；山西农科院“十三五”育种工程项目“适于机械收获的荞麦新品种选育”（16yzgc035）。

赵建栋，男，1966年出生，山西平遥人，副研究员，本科，主要从事荞麦资源与育种研究工作。通信地址：030031山西省太原市小店区龙城大街81号，E-mail：lxlian128@163.com。

李秀莲，女，1964年出生，山西山阴人，研究员，本科，学士，主要从事荞麦育种和栽培研究工作。通信地址：030031太原市龙城大街81号山西农科院作物科学研究所，E-mail：lxlian128@163.com。

2016-03-22，

2016-06-22。