基于投影寻踪分类法评价43份澳大利亚甘蔗种质资源

赵 勇, 赵培方, 赵 俊, 赵丽萍, 昝逢刚, 姚 丽, 刘家勇

(云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699)

种质资源评价是甘蔗杂交育种的重要工作,主要对工农艺性状进行比较，为杂交利用提供参考。我国甘蔗杂交亲本体系的建立主要基于引进种质资源与国内自主创制相结合[1]。国外甘蔗种质资源在我国甘蔗亲本体系和杂交育种中占有重要地位[2]，外引亲本对我国甘蔗品种改良发挥了重要作用[3-4]。据不完全统计，自20世纪50年代至2009年，我国利用引进种质育成的甘蔗品种有163个[3]。目前对甘蔗种质资源的研究主要集中在两方面。一是表型评价[5-8]，即通过测量、比较表型性状而实现评价和分类，是最直观的评价；二是基于分子标记技术对遗传基础深入解析[9-13]。其中，研究甘蔗表型性状主要采用综合分析法[14-16],即通过比较单项指标以及指标之间的因果关系或相关性而对样本加以分析。但不同因子对综合评价的影响程度(即权重)主要凭研究者的经验进行评判,往往受到研究者主观性的影响[17-18]。

1974年Friedman和Turkey提出了投影寻踪分类法(projectionpursuit clustering, PPC)[19]。所谓投影，就是从不同角度观察数据，寻找能够最大程度地反映数据特征和最能充分挖掘数据信息的最优投影方向[20]。其特点是在未知权重系数的情况下，通过把高维数据投影到低维(1～3维)子空间上[21]。该方法省去了专家打分评定的步骤，避免了专家打分的人为干扰，因此更为准确和便捷，在定量评价指标数据的处理上更具优势。目前该方法已应用于水质评价[22]、环境质量综合评价[23]、工业经济[24]等方面。在农作物研究上的应用主要集中在作物补偿效应[25]、水分利用评价[26]等，尚未见甘蔗上的应用报道。基于此, 本研究利用投影寻踪分类法对引进的澳大利亚甘蔗种质资源进行评价，挖掘优异的种质资源，以期为我国甘蔗种质创新提供参考，同时也为甘蔗种质资源评价探索新方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试的澳大利亚杂交种质资源共计43份，其中，Q型40份、KQ型3份。

1.2 试验设计

1.2.1 试验地与田间种植 试验在云南省农业科学院甘蔗研究所育种基地进行。该试验地为水田，海拔1 051.8 m，属亚热带高原季风气候，光照资源充足，年日照时数2 382 h，年均气温20 ℃，年均降雨量771.1 mm，年潜在蒸发量1 987 mm，无霜期341 d左右。2016年12月29日进行田间试验(新植)。采用随机区组设计，3次重复，行长4.0 m、行距1.1 m，每个种质、每个重复种植2行，每小区下芽52个，四周设保护行。试验地管理同大田生产相一致。

1.2.2 农艺性状调查 农艺性状调查采用分级方法，主要基于本试验的分级需要并结合育种经验而设定指标参数范围。2017年10月25日至27日，田间调查43份种质的株高、茎径、有效茎、叶部病害严重度和总体长势共5个农艺性状。其中，叶部病害严重度指田间自然发病的花叶病、锈病、褐条病等叶部病害的综合反映。之后由3～4名本研究团队成员组成的分级小组以观察到的性状表现为分级依据，对小区种质群体进行整体评估、讨论分级。每个性状指标均分为5级，分级的数值范围见表1。

表1 甘蔗种质资源重要农艺性状的分级Table 1 Classification reference for important agronomic traits of sugarcane germplasm resources

1.2.3 品质性状检测 于2017年11月至2018年3月对43份种质进行锤度、蔗糖分、蔗汁糖分、简纯度和纤维分检测。各个种质每次随机检测6条蔗茎(每重复3条蔗茎)，共检测5次。其中，糖分、蔗汁糖分、简纯度和纤维分检测参考Liu et al[27]的方法。

1.3 数据分析

利用Excel 2013整理数据。采用DPS统计分析软件对各农艺性状分级数据和主要品质性状指标进行方差分析和基本参数估计；采用投影寻踪分类法对43份种质资源进行投影方向和投影值大小分析，并基于投影值的聚类分析对各种质进行分类评价，以筛选优异种质。其中，农艺性状指标原始分级数据先进行倒数处理，然后再进行相关统计分析。

2 结果与分析

2.1 主要工农艺性状差异分析

2.1.1 农艺性状 方差分析表明,各种质农艺性状差异均极显著(P<0.01)，变异系数在24.30%～35.21%之间，变异广泛(表2)。

2.1.2 品质性状 方差分析表明,各种质品质性状间均存在极显著差异(P<0.01)，变异系数在5.31%～11.99%之间(表3)。除纤维分变异较大外，其他变异较稳定。

表2 43份澳大利亚甘蔗种质主要农艺性状差异比较1)Table 2 Analysis of variance on main agronomic traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差异达极显著水平(P<0.01)。

表3 43份澳大利亚甘蔗种质主要品质性状差异比较1)Table 3 Analysis of variance on main quality traits among 43 Australian sugarcane germplasm

1)**表示差异达极显著水平(P<0.01)。

2.2 投影寻踪分类法评价

2.2.1 投影方向分析 根据投影寻踪分类法原理，投影方向各分量的大小反映了该指标对甘蔗种质综合评价的影响程度。利用DPS统计分析软件对43份参试种质的主要农艺性状分级数据(倒数)和品质性状(11月— 翌年3月均值)进行投影寻踪分类法分析，得到各性状的投影方向(图1)。从图1可见，叶部病害严重度对甘蔗综合指标的影响最大，其次为甘蔗总体长势；茎径、有效茎、株高和蔗糖分的影响相当，纤维分和简纯度等其他品质性状指标影响较小。

2.2.2 投影值计算 确定投影方向后，基于主要工农艺性状的投影寻踪分析，得到各甘蔗种质资源的投影值(图2)。从图2可以看出，43份种质投影值在0～2之间。其中，Q179最高(1.83)，Q72最低(0.32)，且各种质投影值大小差异显著。

2.2.3 基于聚类分析对43份种质进行分类 基于参试种质投影值大小，采用系统聚类，以欧氏距离-WPGMA法对43份种质进行分类。在0.16～0.32的距离上可把43份种质分为5类(图3)。其中，Ⅰ～Ⅴ类群分别有5、8、14、14、2个。进一步对各类群投影值进行分析表明，第Ⅰ～Ⅴ类群投影均值分别为1.41、1.73、1.02、0.72、0.37，且类群间存在显著差异(表4)。第Ⅰ～Ⅳ类群投影值变异系数在2.78%～17.51%之间，第Ⅳ类群变异最大(17.51%)。第Ⅴ类群个数太少，故未统计变异系数。

2.2.4 判别分析 为了鉴别聚类结果是否可靠，采用多类逐步判别法对其进行判别(表5)。结果表明，第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ类群判别准确率均为100.00%，第Ⅲ、Ⅳ类群判别准确率分别为92.86%、78.57%。根据判别分析原理可知，判别准确率越高，表明种质被正确分类的机率越大。从表5可以看出，每个种质被正确分类的概率都较高，平均判别准确率为90.70%。

图1 甘蔗主要工农艺性状的投影方向
Figure 1 Projection direction of major sugarcane industrial and agronomic traits

图2 43份澳大利亚甘蔗种质综合性状投影值雷达图
Figure 2 Radar map of comprehensive traits projection values on 43 Australian sugarcane germplasm

图3 基于投影值的43份澳大利亚甘蔗种质聚类分析Figure 3 Cluster analysis of 43 Australian sugarcane germplasm based on projection values

类群个数投影值均值最大值最小值变异系数/%Ⅰ51.411.481.372.78Ⅱ81.731.831.594.81Ⅲ141.021.270.9212.18Ⅳ140.720.830.5217.51Ⅴ20.370.420.32

表5 聚类结果的判别检验Table 5 Discriminant test of clustering results

2.3 优异种质挖掘

从参试种质综合投影值的聚类结果来看，第Ⅰ、Ⅱ类群综合投影值较高，且判别准确率为100%。根据投影寻踪原理，投影值越大，其综合性状表现越好，故筛选出13份优异种质(Ⅰ类群5份，Ⅱ类群8份)。从表6可以看出，13份种质蔗糖分分级在13.89%～16.02%之间；总体长势分级在1.33～2.33之间；茎径分级在2.33～3.00之间；有效茎分级在1.33～3.00之间；叶片病害分级在1.67～3.33之间；株高分级在1.00～2.67之间(3重复平均值)。综合来看,主要工农艺性状总体评价较好。

表6 13份优良种质投影值及原始性状数据1)Table 6 Projection values and original trait data of 13 excellent Australian sugarcane germplasm

1)以上分级数据为3次重复平均值。

3 讨论与结论

近年来，我国不断引进国外甘蔗种质应用于育种[28]。因此，客观评价引进种质对筛选优异种质具有现实意义。蒲光兰等[29]研究了四川核桃种质资源坚果的数量性状变异及概率分级，发现数量性状分级数据1～5级出现的频率符合正态分布；蔡志翔等[30]完善了桃种质资源托叶长度评价方法，同时提出了桃托叶长度分级指标；Zhao et al[31]将甘蔗总体长势分为9级应用于新品种选育，发现在育种第一阶段总体长势遗传变异大于锤度，应当利用总体长势和锤度对亲本进行选择，以优化杂交组合。基于上述研究结果，本研究将重要农艺性状分级法应用于甘蔗种质评价，发现43份澳大利亚甘蔗种质农艺性状分级数据差异达到极显著水平(P<0.01)，变异广泛。

对43份澳大利亚甘蔗种质进行投影寻踪分类法分析表明，甘蔗叶部病害、总体长势的投影方向值最大，有效茎、茎径、蔗糖分、株高等次之；简纯度和纤维分投影方向较小。根据投影寻踪分类法原理，各指标对种质综合评价的影响程度依次为总体长势、有效茎、茎径、蔗糖分、株高；简纯度和纤维分影响最低。育种中，叶部病害发生程度决定了甘蔗材料成为推广品种的潜力，而总体长势代表了甘蔗品种对环境的适应性水平。同时，选种时通常给予甘蔗糖分和产量较大的选择压力，其他品质性状指标选择压力相对较小。投影寻踪分类法较好地体现了各性状指标的权重，客观评价了各种质资源实际情况。43份种质主要农艺性状变异系数在24.30%～35.21%之间，主要品质性状变异系数在5.51%～11.99%之间，表明主要农艺性状变异较广、糖分品质变异较小。进一步说明投影寻踪分类法确定主要农艺性状有较高投影方向的合理性。根据投影值大小，筛选优良种质13份(Ⅰ、Ⅱ类群)，占全部种质数的30.23%；中等或以下的种质合计30份，占69.77%。说明在数量众多的甘蔗品种资源中，表现优良的种质数量并不多，因此对数量众多的种质资源进行客观和有效的评价具有重要的意义。

通过对主要农艺性状进行分级和检测蔗糖分等品质性状，本研究建立了以甘蔗叶部病害、总体长势、有效茎、茎径、株高和甘蔗糖分为主要权重的投影寻踪分类法以评价甘蔗种质的方法，筛选了13份主要工农艺性状优良(投影值较高)外引种质用于杂交育种。投影寻踪分类法只要合理选择评价指标,其评价结果符合实际,往往能达到预期效果，同时有利于提高种质精准评价和杂交利用的针对性。