灰色关联度分析和主成分分析在油菜抗旱育种中的应用

李小玉， 田宏先， 王瑞霞

(山西农业大学高寒区作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.，2 n=36，AABB)属十字花科(Brassicaecea)芸薹属(Brassica)，一年生草本，其抗寒耐旱、耐瘠薄，粗脂肪含量高，在我国种植面积和产量占全世界的三分之一[1]。我国油菜栽培历史悠久，总体上产量水平较低，当前油菜育种的主要目标仍是优选抗旱品种、提高产量和提升品质。山西晋北地区地形复杂，气候特殊，蕴藏着丰富的芥菜型油菜种质资源。

干旱制约着作物的生长发育。产量的高低是植物抗旱程度最直接的表达[2]。水分胁迫严重影响植物的生长发育、生理和产量[3]。晋北山区地处干旱和半干旱地区，就耕地而言，有灌溉条件的为10%～15%，多为雨养农业。因此，筛选和应用抗旱品种来提高逆境下的油菜产量应是芥菜型春油菜节水栽培的重要措施之一。越来越多的学者把注意力集中在探究农作物如何抵抗干旱胁迫并提高其抗逆水平的机制上[4]。李素等[5]研究发现，油菜可以通过4种途径来响应干旱胁迫；白鹏等[6]研究发现，油菜可以通过提高某些性状的含量来提高干旱水平下的单株产量；大次卓嘎等[7]对西北地区芥菜型油菜产量性状的提高进行了研究；殷婷等[8]对油菜抗旱性产量指标和抗旱品种进行筛选。

上述油菜抗旱性鉴定综合评价多是在温室或旱棚里进行且指标单一。为此，本试验通过大田环境下干旱和正常浇水两种处理，对12份芥菜型油菜种质材料从苗期到成熟期17个综合指标进行分析，利用灰色关联度分析法研究干旱胁迫对芥菜型油菜单株产量影响的主次关系，以期为油菜干旱胁迫下单株产量的提高提供选育性状指标，同时利用主成分分析法对耐旱系数进行了分析，为抗旱品种选育和区域栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与处理

选用12个芥菜型油菜品种(系)为试材，分别为牛尾梢、05-11-2、晋油6号、内蒙大黄芥、青海溴源芥、青海大辣芥、晋油14号、神池大黄芥、晋油8号、自选X0、晋油12号和晋油13号，用Ki(i=1，2，3，12)表示品种编号，分别标记为K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11和K12。

1.2 试验设计

本试验于2018年在山西农业大学高寒区作物研究所毛皂试验基地进行。设正常浇水(ck)和干旱胁迫(D)两种处理，试验采取随机区组设计，每小区面积12 m2，3次重复。于5月1日同时播种，对照处理在油菜抽薹期、花期和角果期分别浇透水。干旱胁迫处理在油菜整个生育期间不浇水，在5—8月间利用物联化土壤水分温度检测仪(智墒ET 100)同步监测同一位置10～40 cm土壤平均水分含量(表1)。由于本年度在油菜生长期间有效降雨少，造成自然条件下的干旱胁迫。

表1 油菜生长期间干旱处理组10～40 cm土壤平均水分含量

1.3 不同性状的测定与方法

1.3.1油菜光合生理参数的测定

参照王瑞霞等[9]的方法。

1.3.2成熟期农艺性状的测定

考种时每个品种选取长势基本一致的10个单株，最后取平均值。参照邓聚龙[10]灰色系统理论测定方法，将12份油菜品种单株产量和16个主要性状因素看作1个灰色系统，设单株产量为参考数列；盛花期测定的6个光合参数指标和考种的11个农艺性状指标作为比较数列，用Xj(j=1，2，3，……16)表示，分别为胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率、蒸腾速率、水分利用率、气孔限制值、株高、茎粗、有效分枝数、主轴上的角果数、全株角果数、每角粒数、千粒重、主轴长、角果长和角果宽，然后运用Excel软件按分辨系数为0.5进行关联度分析。

1.3.3数据处理及统计分析

灰色系统理论计算方法参照杨国浪等[11]的方法；

Xj′(Ki)=[Xj(Ki)-Xj]/Sj

(1)

Δj(Ki)=|X0(Ki)-Xj(Ki)|

(2)

εj(Ki)=[Δj(Ki)min+ρ×Δj(Ki)max]/[Δj(Ki)+ρ×Δj(Ki)max]

(3)

Xj′(Ki)为数据无量纲化结果，Xj(Ki)为原始数据，Xj为同一性状的平均值，Sj为某一性状的标准差，Δj(Ki)为某一品种单株产量与每个农艺性状差值的绝对值，X0(Ki)为某一品种Ki的单株产量值，Xj(Ki)为某一品种Ki的农艺性状，εj(Ki)表示关联系数，Δj(Ki)表示绝对差值，ρ表示分辨系数(取值0.5)，Δj(Ki)max和Δj(Ki)min分别表示最大差值和最小差值(干旱为3.33，0.00；对照为3.62，0.02)。

耐旱系数=(干旱胁迫性状值/非胁迫性状值)×100%

(4)

数据分析采用Microsoft Excel 2007软件和SPSS 22.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同性状与单株产量的灰色关联度分析

干旱胁迫处理下，每个品种的单株产量与16个性状的灰色关联度计算结果如表2，关联度值从大到小依次为：株高、主轴长、茎粗、主轴上角果数、全株角果数、角果宽、有效分枝数、每角粒数、千粒重、角果长、净光合速率、气孔限制值、水分利用率、胞间CO2浓度、蒸腾速率和气孔导度。

表2 各性状与单株产量的关联度及位次(干旱处理)

干旱胁迫下，根据各性状与单株产量间关联的密切程度，可将上述性状大致分为3类：第1类是和植株生长、产量有关的农艺性状，它们与干旱胁迫下单株产量关联程度十分紧密；株高，可以概括为繁茂性因子。茎杆作为物质运输的通道，直接影响植株单株籽粒的发育，进而影响植株的单株产量，所以茎杆是和单株产量相关的性状，可以大致概括为“物质转储因子”。植株有效分枝数、全株的角果数、主轴上的角果数、角果长、每角粒数、千粒重等性状可以概括为产量因子；第2类是净光合速率、气孔限制值、水分利用率、胞间CO2浓度，这些指标与植株的光合生理作用息息相关，可以概括为光合生长因子，与单株产量的关联程度较为紧密；第3类是蒸腾速率和气孔导度，与水分散失和渗透调节作用有关，可称为“水分和渗透调节因子”。这一结果表明，干旱胁迫下与油菜单株产量关系最为密切的是反应植株生长和产量的因子，其次是光合作用因子；它们在晋北地区芥菜型春油菜受到干旱胁迫时所受的影响最大，在优选抗旱品种时应注重株高、主轴长、主轴上角果数等性状，干旱胁迫时，在对晋北山区芥菜型春油菜品种选育和栽培的过程中，应重点观察与单株产量关联密切且表现稳定的指标，如植株形态因子(有效分枝数、株高、茎粗)、产量三因素构成因子(全株有效角果数、每角粒数、千粒重)、光合生长因子(净光合速率、气孔限制值、水分利用率、胞间CO2浓度)，从而为筛选出适宜晋北山区生产的高产新品种。

2.2 正常灌溉下不同性状与单株产量的灰色关联度分析

在正常灌溉下(表3)，16个性状和单株产量的关联度值从大到小依次为：胞间CO2浓度、蒸腾速率、气孔导度、有效分枝数、角果宽、主轴上角果数、气孔限制值、茎粗、每角粒数、水分利用率、主轴长、净光合速率、全株角果数、千粒重、角果长和株高。由此可知，和叶片气孔有关的胞间CO2浓度、气孔导度和蒸腾速率3个生理性状与单株产量关联程度十分紧密，排在前3位，其余各性状与单株产量的关联度小。这一结果说明，在正常灌溉下，植株通过光合作用更能有效积累有机物，从而提高单株产量。

表3 各性状与单株产量的关联度及位次(正常灌溉ck)

2.3 干旱胁迫下6个光合参数和10个农艺性状之间的相关性

以干旱胁迫处理的16个性状之一为参考数列，其他性状为比较数列，计算关联度和关联系数，获得关联度矩阵，见表4。可以看出，与单株产量关联密切的前9个农艺性状中，其他农艺性状与这9个农艺性状关联性表现为：和株高关联密切的前3个性状为：主轴长、每角粒数、主轴上有效角果数，与气孔导度的关联度最小；和主轴长相关密切的前4个性状是：主轴上有效角果数、每角粒数、气孔限制值、千粒重，其中与气孔导度的关联度最小；和茎粗相关密切的前6个性状是：全株角果数、千粒重、主轴长、水分利用率、主轴上有效角果数、每角粒数，与气孔导度的关联度最小；和主轴上有效角果数关联密切的5个性状依次为：主轴长、胞间CO2浓度、株高、每角粒数、千粒重，与气孔导度的关联度最小；和全株角果数关联密切6个性状分别为：茎粗、千粒重、气孔限制值、株高、每角粒数、主轴上有效角果数，与气孔导度的关联度最小；和与角果宽关联密切的5个是主轴长、株高、千粒重、角果长、主轴上有效角果数，与气孔导度的关联度最小；和有效分枝数关联密切的前4个性状分别为：株高、主轴有效角果数、主轴长、茎粗，与气孔导度的关联度最小；和每角粒数相关密切的前5个性状是：主轴长、千粒重、株高、水分利用率、主轴上有效角果数，与气孔导度的关联度最小；和千粒重相关密切的前5个是：主轴长、胞间CO2浓度、气孔限制值、每角粒数、主轴上有效角果数，与气孔导度的关联度最小；通过上述分析表明，在干旱胁迫处理下，芥菜型春油菜单株产量关联度最为密切的前3个性状是：主轴长、主轴上有效角果数和每角粒数，联系最不紧密的性状是气孔导度。研究发现，主轴长、每角粒数、千粒重和主轴上有效角果数这4个性状是其他性状共有的关联度紧密因子，可以理解为这4个农艺性状因子是干旱胁迫下与其他性状联系最紧密的重要性状，进一步说明油菜单株产量的提升是多个农艺性状因子共同作用的结果。气孔导度与各农艺性状联系不紧密，光合作用的有效进行是通过叶片表面的气孔来进行气体的交换，吸收CO2，释放O2，进而积累有机物，提高油菜单株产量；干旱胁迫下，叶片气孔关闭，气孔导度与各农艺性状联系不紧密源于植物长期以来对逆境的一种适应能力，通过降低蒸腾速率来保护植株度过逆境。

表4 6个光合参数和10个农艺性状的关联度矩阵

2.4 干旱胁迫下各指标主成分分析

为确定对芥菜型春油菜耐旱材料起主导作用的重要指标，利用SPSS 22.0软件对干旱胁迫下17个性状的耐旱系数进行主成分分析(见表5)。从表中看到，在干旱胁迫处理中，主成分1、2、3、4、5对耐旱系数的贡献率分别为23.827%、23.725%、15.237%、14.328%、10.269%，累计贡献率达到87.386%，表明在干旱胁迫处理中，前5个综合指标覆盖了大部分原始数据的信息，可以用这5个主成分对12份材料耐旱性进行分析。

表5 干旱主成分特征向量及贡献率

主成分1 中载荷最高的因子为气孔导度，其次为净光合速率、胞间CO2浓度、水分利用率，它们反映了23.827%的原始数据信息量，这些指标主要与植物叶片的光合作用有关，将其归为光合因子，胞间CO2浓度、气孔导度、净光合速率、水分利用率的增加有利于芥菜型油菜耐旱性的提高；决定第二主成分大小的主要是全株角果数、单株产量、株高与茎粗，它们反映了原始数据信息量的19.744%，全株角果数和单株产量主要与产量有关，可以大致概括为产量因子；决定第三主成分大小的是有效分枝数和主轴上角果数，这些指标可以间接反应植株的产量，也归为产量因子；决定第四、五主成分大小的是茎粗、株高、主轴长、角果宽和角果长，这些成分都与植株生长有关，可以将其概括为生长形态因子。

3 讨 论

近年来，培育高产、抗旱油菜新品种一直是育种工作者努力的方向。由于作物耐旱基因和控制产量性状基因分属植株不同的基因位点，因此将高产和耐旱两性状相结合的选育是可以实现的[12]。本研究为了避免构造理想品种各性状的理想值时对分析造成的影响[13-14]，将6个光合参数指标和11个农艺性状指标共同置于灰色系统中，在大田干旱和正常灌溉条件下，对12份芥菜型油菜的17个性状进行了灰色关联度分析。

分析结果表明，干旱胁迫下与单株产量关联度联系紧密的是主轴长、每角粒数、千粒重和主轴上有效角果数这4个性状。主轴长度越长，主轴上的有效角果数相对就越多，从而增加全株角果数，也就直接提高了单株产量，这一结果与杨国浪等[11]、大次卓嘎等[7]的研究结果一致。因此在晋北区芥菜型春油菜高产育种栽培中，应加强这些性状的优选力度。

在正常灌溉条件下，叶片气孔相关的光合生理性状与单株产量联系紧密，各农艺性状与产量联系不紧密，其中株高与单株产量的关联度最小，这一结果与武仙山等[15]利用株高旱胁迫系数来评价植株抗旱性时提出的观点一致，与倪正斌等[16]的研究结果差异较大，有待继续试验。

作物耐旱机理非常复杂，受到遗传和环境的双重影响。因而利用单一评价指标无法准确评价作物对逆境的生理响应，而利用多指标隶属函数法评价作物耐旱性时，虽能更全面地反映作物耐旱所表现的众多耐旱相关性状、但也存在一定的局限性[17]。近年来人们开始采用综合评价方法来鉴定品种的耐旱性，使鉴定结果更接近品种实际的耐旱性，因此，可以利用这种方法对油菜抗旱种质和品系的特点进行分析，并为这些种质在育种中的合理利用和品系的区域适应性提供有价值的建议。

朱宗河等[17]利用综合评价方法筛选出2个高度耐旱的甘蓝型油菜种质资源。谢小玉等[18]采用综合评价方法筛选出油菜抗旱种质评价指标。本研究主成分分析研究表明，前5个指标占比87.386%，分别为光合因子、产量因子、植株形态生长因子，这些性状能反映绝大部分耐旱信息。结果表明，光合因子可以作为耐旱性评价指标的首选性状因子，这一结果与白鹏等[6]的研究结论一致。鉴于此可以利用这些主成分性状因子来鉴定当地芥菜型春油菜品种的抗旱性，进而为晋北区筛选出适宜当地种植的芥菜型油菜抗旱材料。