菜心种质资源的主成分与聚类分析

史卫东，陈振东，农贵雄，罗海玲，康红卫，韦爱培

(1.广西农业科学院 蔬菜研究所，广西 南宁 530007；2.田阳县农业农村局，广西 百色 533600)

菜心(BrassicacampestrisL.ssp.chinensisVar.utilisTsen et Le)是华南地区著名特产蔬菜，品种繁多，生产上仍然以常规种为主。菜心遗传多样性水平较低，亲缘关系较近，常用育种方法是系统选育法和杂交法[1-2]，菜心品种在熟性、植株形态、产量和品质等方面差异明显[3]，表型鉴定在种质资源鉴定中起重要作用。以表型性状作为形态学标记进行种质资源评价的方法中，主成分分析能够在不损失或很少损失原有形态性状信息的前提下，将原来的多个性状转换为个数较少而且不相关的综合指标作分析，从而简化表型性状的分类工作[4]，减少了聚类分析的误差，因而在多种蔬菜上得到广泛应用[4-11]。本研究通过主成分分析和聚类分析评价菜心表型多样性，可为种质资源鉴定和应用提供基本材料和信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料

广西农科院蔬菜研究所收集的17份品种和组配的10份自交和杂交株系，具体见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 2017年11月份分别在广西青芸景农业投资有限公司和广西菜根谱农业科技开发有限责任公司直播种植，在广西隆安县清水湾农业有限责任公司育苗移植，每份资源种植面积10 m2，不设重复，水肥管理和病虫害防治措施按照公司的田间管理进行。

1.2.2 性状观察 在采收期对每份资源随机抽取5株调查株高、开展度、叶片数、叶重、主薹茎长、主薹粗度、主薹重量和单株重等8个性状。

1.2.3 数据处理方法 采用Excel 2010和DPS软件进行数据分析。首先，将数量性状数值记入Excel进行变异系数分析。再利用DPS进行主成分分析，以欧氏距离为聚类统计量，采用UPGMA法进行聚类分析并形成树状图。

表1 材料来源与名称

2 结果与分析

2.1 表型性状比较

由表2可知，不同种质资源的表型性状变异很大，表现出丰富的遗传多样性。在观察的8个性状中，平均变异系数为44.01%，主薹粗度的变异系数最大，为67.18%，其次为主薹重量、单株重、叶重、幅度、开展度、主薹茎长、叶数和株高等，变异系数越大，表明性状的变异范围越大，主薹粗度、主薹重量、叶重和单株重等较大的变异表现出丰富的表型多样性。8个性状间的部分相关性达到显著水平，除了叶重与单株重之间达到极显著水平之外(r=0.8518)，株高与幅度(r=0.7271)、株高与主薹茎长(r=0.7826)、株高与主薹重量(r=0.6929)、幅度与单株重(r=0.6825)、叶数与叶重(r=0.7616)、叶数与单株重(r=0.7225)、主薹粗度与主薹重量(r=0.7697)之间达到显著相关水平，其余性状之间相关性不显著。

表2 表型性状的基本统计数据

2.2 主成分分析

由表3可知，第1主成分特征值为4.3095，对总遗传方差的贡献率最大，为53.8683%，对应的特征向量包括全部指标且数值较大，依次是单株重、开展度、主薹重量、株高、主薹粗度、主薹茎长、叶重和叶数，表明第1主成分主要反映了主薹相关的性状，可称为主薹因子，当第1主成分的各向量值高时，菜心表现为单株较重、植株高大、主薹较高、较粗和较重，叶片数较少。第2主成分的贡献率为27.7626%，对应的特征向量中叶数最大，其次是叶重和单株重，主薹茎长、主薹重量、主薹粗度和株高均为较大的负向系数，表明叶片数多且重，能够增加单株重，但株高和主薹性状受到抑制，可称为叶片因子，菜心表现为叶数多、叶片重，单株重，但株高较低、主薹细小轻短。第3到第8主成分的特征值均小于1，其中第3主成分、第6主成分和第7主成分对应的最大特征向量分别是幅度、主薹茎长和株高，株高是由主薹高度决定的，可归为主薹因子。第4主成分对应的最大特征向量是主薹粗度，也归为主薹因子。第5主成分和第8主成分对应的最大特征向量均是叶数和叶重，可归为叶片因子。根据以上主成分分析结果，并以特征值大于1为标准提取主成分，前2个主成分因子累计贡献率达81.6309%，表明27份种质资源的绝大部分信息可由这2个主成分来表示，即主薹因子和叶片因子。

表3 主成分分析

2.3 聚类分析

利用8个性状调查数据，采用欧氏距离和UPGMA方法进行聚类分析，在遗传距离为87处时可将27份种质资源分为三大类，并且主要集中在第1类群，种质的遗传距离较近，表明遗传基础狭窄。第1类包括1号、3号、6号、8号、9号、10号、11号、12号、15号、16号、18号、19号、20号、22号、23号、24号、25号和27号，这18份资源的8个性状都具有较低的数值，表明植株具有株高低、幅度小、叶片多、叶重低、主薹细短、主薹和单株重量偏低的类型。第2类包括2号、4号、13号、14号、17号、21号和26号，这7个资源的株高、幅度、叶数、叶重、主薹茎长、主薹粗度、主薹重量和单株重都高于第1类，并且主薹的粗度和重量是3类中最大的，属于主薹粗大而较重的类型。第3类包括5号和7号，这2个资源的株高、幅度、叶数、叶重、主薹茎长和单株重等具有最高数值，但主薹粗度和主薹重量高于第1类，低于第2类，属于植株高大茂盛、单株较重，但主薹较细短、重量较低的类型。

3 结论与讨论

菜心是以菜薹与叶片两种营养器官为食用部位的叶菜，数量性状相对较少。变异系数的大小反映的是性状的变异范围，即变异系数越大，性状的变异范围越大，本研究利用27份菜心的8个性状分析发现，主薹粗度、主薹重量和叶重及两者决定的单株重具有较大的变异系数，主薹茎长和株高具有较低的变异系数，并且部分性状间达到显著相关，表明与粗度和重量相关的性状变异可能比与高度相关的性状变异更丰富。

图1 菜心种质资源聚类分析图

主成分分析将原来的多个性状转换为个数较少而且不相关的综合指标，简化表型性状的分类工作[4]。本研究的主成分分析表明，27份种质资源的绝大部分信息可由主薹因子和叶片因子这2个主成分来表示。第3、4、6和7主成分也可归为主薹因子，第5和第8主成分可归为叶片因子。因此，对种质进行分类考虑的指标主要为主薹和叶片2个指标，第1主成分值越大越好，表现为主薹增高、增粗和增重，叶片数量减少和重量降低的种质产量较高，是优异的种质资源，但也要协调与叶片生长量之间的关系，叶片是提供营养的器官，只有整株生物量提高才能达到更好的效果。

虽然分子标记技术已广泛应用于菜心分子水平的多样性研究，但表型标记作为简便常规的种质鉴定和育种方法，可以提供大量的基本信息，很有必要继续应用，特别是在大量材料的初选过程中。研究表明：41个菜心商品品种的聚类分析表明，菜心品种在熟性、植株形态、产量和品质等方面差异明显[3]。本研究利用8个性状的聚类分析可将27个菜心种质资源分为三大类，尽管27份种质具有品种、自交系和杂种后代的区别，但仍存在遗传基础狭窄的问题。第1类的18份资源属于株高低、幅度小、叶片多、叶重低、主薹细短、主薹和单株重量偏低的类型。第2类7个资源的株高、幅度、叶数、叶重、主薹茎长、主薹粗度、主薹重量和单株重都高于第1类，并且主薹的粗度和重量是3类中最大的，属于主薹粗大而较重的类型。第3类2个资源虽然在株高、幅度、叶数、叶重、主薹茎长和单株重等具有最高数值，但主薹粗度和主薹重量偏低，属于植株高大茂盛、单株较重、但主薹较细短、重量较低的类型，因此，通过主成分和聚类分析，基本可以初步判定27份种质资源的表型多样性，第2类是比较优异的种质资源。