云南苦荞资源农艺性状的主成分和聚类分析

李春花，卢文洁，王艳青，王莉花

(云南省农业科学院 生物技术与种质资源研究所/云南省农业生物技术重点实验室/农业部西南作物基因资源与种质创制重点实验室，云南 昆明 650223)

苦荞(F.tataricum)属于蓼科(Polygonaceae)的一年生草本植物，广泛分布于亚洲的高海拔地区，我国主要集中在云南、四川、贵州、西藏和甘肃、陕西、山西等地海拔1 500～3 000 m的高寒山区，种植面积为22.38×104hm2［1］。云南是苦荞遗传多样性和生态多样性中心，其种植面积为8×104hm2，以滇西北2 000 m以上的高寒山区种植最为普遍，是当地群众的主粮。苦荞营养丰富，蛋白质、脂肪、维生素、微量元素普遍高于大米、小麦和玉米，苦荞中还含有芦丁等其他粮食作物所不具备的特殊营养素，具有辅助治疗心脑血管疾病、高血压、糖尿病、癌症及清热解毒消炎等医疗功能［2］，是21世纪世界性的新兴作物［3］。

苦荞种质资源的遗传多样性对其育种工作有很大的意义。国内对苦荞资源的遗传多样性已有一些研究。李瑞国等［4］采用因子与聚类分析方法，对收集的53份苦荞资源的12个农艺性状进行了因子分析，表明这些苦荞资源聚成宽粒类、抗倒类、粮用类、大粒非抗倒类以及厚壳类等5个分类。高金峰等［5］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等4个大类。韩瑞霞等［6］采用SSR分子标记对来自16个省市及尼泊尔的166份苦荞种质资源进行了遗传多样性分析，结果表明来自云南、四川和西藏的苦荞材料不但遗传多样性丰富，而且亲缘关系较近，进一步证实苦荞即源于中国西南部。邓林琼等［7］采用RAPD分析对贵州省1999—2010年荞麦区甜荞和苦荞参试品种及其亲本等19个品种进行分析，结果表明，遗传变异性程度以种间差异最大，其次是甜荞种内不同品种间，而苦荞种内不同品种间的遗传变异性最小。杨学文等［8］利用15对SSR引物对104份苦荞种质进行了遗传多样性分析，表明西北、西南地区省份的材料存在着丰富的遗传多样性，而内蒙古赤峰地区的苦荞资源遗传基础较狭窄。

云南苦荞种质资源十分丰富，类型多种多样，是进行荞麦遗传改良的优异材料。王莉花等［9］利用RAPD分析对云南野生荞麦资源进行了多样性分析，但目前对云南苦荞资源进行系统的农艺性状主成分分析、聚类分析和遗传多样性分析的报道还不多见。聚类分析是遗传多样性分析中普遍应用的方法之一［10-11］，已在大豆［12］、水稻［13］、荞麦［14］、油菜［15］、洋葱［16］、花生［17］等多种种质资源研究中广泛应用。本研究对云南63个苦荞栽培资源的12个农艺性状进行主成分分析和聚类分析，以了解影响苦荞种质资源的主成分和农艺性状特点，为筛选苦荞种质资源杂交亲本以及重要农艺性状的研究和改良，提高云南苦荞资源研究和利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

在云南荞麦分布地，采用实地采集的方法，收集63份苦荞资源，主要分布在海拔956 m的江城县至3 034 m的巧家县之间的地域(表1)。

1.2 方法

试验在云南省农科院试验地进行。该地海拔1 899 m，102°42′E 、25°4′N，肥力中等，灌溉方便，土质红壤。收集的苦荞资源63份于2009年8月以长2.3 m、宽1.8 m的小区进行种植，全生育期无施肥。成熟期在田间对每份材料随机取10个单株进行编号挂牌，依据《荞麦种质资源描述规范和数据标准》［18］要求，对单株的株型、叶形，倒伏性进行观察记载;收获时对生育期、主茎节数、株高进行观察记载;收获后对单株的株粒质量、千粒质量、籽粒长、种皮颜色、种子形状、籽粒宽等性状进行测量记录。

1.2.1 数量性状测定 收获时测定生育日数、株高、主茎节数;收获后，进行2周风干，测定株粒质量、千粒质量、籽粒长度、籽粒宽度。

1.2.2 质量性状测定 根据目测在生育期测定株型、叶形、抗倒伏性;收货后，测定种皮颜色和种子形状，对这些性状依据《荞麦种质资源描述规范和数据标准》［18］的分类编号要求进行赋值。苦荞的株型:紧凑(3)，半紧凑(5)，松散(7);叶形:卵形(1)，戟形(2)，剑形(3)，心形(4);种皮颜色:灰白(1)，黄绿(2)，淡绿(3)，绿(4)，淡褐(5)，褐(6);种子形状:长锥(1)，短锥(2)，心形(3)，三角形(4)，楔形(5);倒伏性:高抗倒伏(1)，抗倒伏(3)，中抗倒伏(5)，倒伏(7)，严重倒伏(9)。

表1 云南收集的苦荞资源Tab.1 The resource of F.tataricum collected in Yunnan

1.3 数据计算与统计处理

63份苦荞种质资源的12个农艺性状中数量性状的分析采用原数值数据，对质量性状的分析采用赋值后的数据来进行统计分析。采用Excel软件进行基本数据处理，DPS软件［15］来进行主成分分析和聚类分析，采用聚类分析中类平均法，选择欧式距离法对其进行聚类。

2 结果与分析

2.1 数量性状与质量性状表现

由表2可知，63份苦荞资源7个数量性状有明显差异。各性状的变异系数，主茎节数最小(9.2%)，株粒质量最大(33.2%);其余由小到大依次为籽粒长度、生育日数、株高、籽粒宽度、千粒质量，变异系数10.2%～12.8%。说明63份资源间形态性状差异明显、类型多样。

表2 苦荞种质资源数量性状分析Tab.2 The analysis of quantitative characters in F.tataricum resource

苦荞种质资源的质量性状中，株型以半紧凑为主，有45份，占总份数的71.4%;松散有18份，占总份数的28.6%。叶形以心形为主，有35份，占总份数的55.5%;剑形有17份，占总份数的27.0%，戟形有11份，占总份数的17.5%;种皮颜色以浅绿色为主，有43份，占总份数的68.3%;黄绿色和灰白色分别有7、12份占总份数的11.1%、19.0%;淡褐色只有1份，仅占总份数的1.6%。种子形状以短锥形为主，有27份，占总份数的42.9%;长锥形有16份，占总份数的25.4%;心形有12份，占总份数的19.0%;三角形有3份，占总份数的4.8%;楔形有5份，占总份数的7.9%。高抗倒伏性的有1份，占总份数1.6%;抗倒伏性的有62份，占总份数98.4%(表3)。

表3 苦荞种质资源质量性状分析Tab.3 The analysis of qualitative characters in F.tataricum resource

2.2 主成分分析

为了充分地反映出各因素中其主导作用的综合指标，计算出12个主要农艺性状的特征根和相应的特征向量及特征根的累计贡献率。根据累计贡献率大于85%可选前7个主成分，其累计贡献率为89.14%(表 4)。

第1主成分特征值为3.68，贡献率为30.68%。株高、主茎节数和生育日数是主要指标，特征向量分别为0.35、0.45、0.45。表明此类性状与生育期有关，在育种中综合这些性状在生育期选育品种。第2主成分特征值为2.28，贡献率为19.02%。籽粒长度是主要正向指标，特征向量为0.50。表明此类性状与籽粒大小有关。种子形状为主要负向指标，特征向量为-0.58。表明在大粒种子育种时适度把握好种子形状的选择。第3主成分特征值为1.42，贡献率为11.86%。株粒质量、千粒质量和籽粒宽度是主要指标，特征向量分别为0.52、0.40、0.59。表明此类性状与高产有关。第4-7主成分特征向量有正有负，贡献率在4.60%～9.67%。包括株型、倒伏性、种皮颜色和叶形4个指标，其中种皮颜色特征向量为负，在育种时要适度把握。

2.3 聚类分析

依据主成分向量用最短距离法计算材料间的欧式距离，将63份供试品种可分为3类。

第 1 类包括 23 份苦荞种质，分别为 1、9、21、22、2、23、40、41、24、3、17、26、32、28、19、25、53、8、29、11、18、51、31。此类材料株高比较高，都在平均值 114.25 cm 以上，在 117.4～142.20 cm，主茎节数，82.6%材料都在平均值17.64 cm以上;千粒质量，52.2%材料都在平均值19.19 g以上;生育日数，78.3%材料都在平均值78.94 d以上，生育期较长。

第 2 类包括 29 份苦荞种质，分别为 4、5、37、20、49、43、52、42、56、34、35、50、46、39、6、7、30、10、15、13、14、12、62、27、48、45、33、47、44。其株高96.6%在100 cm 以上，最高为117.61 cm，一般在98.6～117.61 cm;千粒质量62.1%在平均值19.19 g以上，生育日数58.6%在平均值(78.94 d)以下，生育期中等。

第 3 类包括 11 份苦荞种质，分别为 16、61、57、38、58、59、63、60、54、55、36。主要特点是株高都在100 cm 以下，一般在 80.7～99.45 cm;主茎节数在平均值 17.64 cm 以下;千粒质量 72.7%在平均值19.19 g以上，生育日数90.9%在平均值以下，所以生育期相对短。

表4 苦荞种质资源12个农艺性状的主成分分析Tab.4 Principal components of 12 economical characteristics of F.tataricum resource

图1 苦荞种质资源聚类图Fig.1 The cluster map of F.tataricum germplasm resource

3 结论与讨论

主成分分析和聚类分析最重要目的是，种质农艺性状的研究以及避免杂交育种过程中亲本选配上的盲目性，对作物杂交利用具有一定的指导意义［19］。本研究利用主成分分析，将63份苦荞种质资源的12种性状简化为7个综合指标，并以此基础上，将63份种质资源聚成3类(图1)，第1类材料是株高较高，生育期较长的品种(系)。该组群适合种植南方地区，且其秸秆和青体适合利用于以青体为主要原料的保健产品及饲喂畜禽。第2类的材料株高96.6%在100 cm以上，最高为117.61 cm，一般在98.6～117.61 cm;千粒质量 62.1%在平均值 19.19 g 以上，生育日数 58.6%在平均值(78.94 d)以下，生育期中等。可以看出该组群的各个农艺性状都适中是选育优良品种(系)的理想材料。第3类材料适合选育矮秆、生育期短的品种(系)。该组群适合种植北方地区，并适合作为培育矮杆品种及早熟品种的理想亲本材料。通过对云南苦荞种质资源类型分析，根据育种目标可以选择性状互补的杂交亲本，使苦荞育种得到更圆满的结果。研究结果还表明，63份苦荞种质资源的聚类结果与材料的来源地没有必然的联系，这可能是各个县市在苦荞栽培中引种频繁所导致。更进一步表明，仅根据种质资源的地理分布来进行遗传多样性分析可能会存在一些错误的观点。因此，在苦荞育种中考虑种质资源地理距离的基础上结合遗传距离，才能选好适合杂交育种的亲本。

在实际育种工作中，选配亲本材料不仅根据地理距离和遗传差异，还要考虑当地的实际情况进行多方面的考虑。本研究针对云南苦荞种质资源的主要农艺性状的表现型进行了分析，若要深入了解苦荞种质资源，还需要利用现代分子生物技术进行进一步鉴定，这样才能更加全面地对云南苦荞种质资源进行客观评价。

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