粒用高粱种质资源主要农艺性状的相关性及主成分分析

乔 婧，高海燕，李文清，邵 强

（山西省农业科学院高粱研究所，山西晋中030600）

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）是全球农业生态系统中重要的粮食和饲料作物，全球年种植面积0.43 亿hm2，总产约6 000 万t，是近5 亿人口的主食，为世界第五大谷类作物[1-2]。高粱抗旱、耐盐碱、耐瘠薄，具有在恶劣环境下生长的能力，其被视为干旱和盐碱土壤农业区农业可持续发展的一种重要作物。随着对淡水资源需求的增加和全球气候变暖，耐干旱、盐碱作物高粱在全球粮食需求不断增加的今天显得越来越为重要[3-4]。高粱从用途上可以分为粒用高粱、饲用高粱、甜高粱及帚用高粱四大类。从全球看，粒用高粱的用途主要有食用和饲用2 种，大约各占50%，其中，发达国家高粱主要用于饲料，而发展中国家高粱主要用于食用和酿造业[5-7]。近年来，大量的进口高粱进入我国工业饲料行业，使我国的高粱消费结构发生了根本性的变化，因此，加强我国粒用高粱育种研究显得尤为重要[8]。

农艺性状是影响高粱育种的重要因素之一，农艺性状的选择比较直观且方便测量，同时又与其他性状相关联，对其遗传规律进行深入研究，可以为育种工作者提供可靠的遗传信息[9-11]，而且，大多数产量性状为数量遗传性状，受多个表型性状的综合影响，且各性状之间又相互关联、彼此制约[12-14]。因此，要培育高产的高粱品种，必须对与高粱产量相关的农艺性状进行分析。

本试验选取国内外农艺性状差异较大的粒用高粱品系20 份，对其9 个农艺性状进行遗传变异、相关性、主成分及聚类分析，旨在为田间育种选择优良性状提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2018 年在山西省晋中市修文镇（山西省农业科学院高粱研究所东白试验基地）试验田进行。试验高粱品系全生育期的月平均气温19.96 ℃，月平均降雨量20.13 mm，光照充足，土壤为壤土，肥力中等，前茬作物为玉米。

1.2 试验材料

供试的20 份国内外高粱种质资源名称及来源如表1 所示。

表1 20 份高粱种质资源名称及来源

1.3 试验方法

试验采用完全随机区组设计，3 次重复，每次重复为1 个小区，小区面积为4 m2（5.0 m×0.8 m）。2018 年4 月27 日采用人工条播方式种植，株行距为0.2 m×0.4 m。播前施农家肥45 m3/hm2、复合肥（N、P、K 含量分别为28%，15%，8%）600 kg/hm2，整个生育期不再追肥。全生育期间除草2 次、灌溉1 次，其他管理同常规大田。

1.4 测定项目及方法

收获时，每小区随机选取10 株测定株高、茎粗、穗柄长、穗长、穗粒质量、千粒质量、角质率、单株成穗数、生育期。

1.5 数据统计分析

采用Excel 2007 计算20 份高粱种质资源9 个主要农艺性状的均值、变异系数等，采用SPSS 20.0软件进行相关性、主成分及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 粒用高粱农艺性状遗传变异分析

从表2 可以看出，不同粒用高粱材料的农艺性状间存在差异。9 个农艺性状的变异系数从大到小依次为角质率＞株高＞单穗粒质量＞单株成穗数＞茎粗＞穗柄长＞千粒质量＞主穗长＞生育期，其中，角质率和株高变异系数最大，分别为57%和48%；其次依次为单穗粒质量、单株成穗数、茎粗、穗柄长，变异系数分别为46%，45%，42%，35%；变异系数最小的为生育期，仅为4%。表明20 份粒用高粱种质材料在角质率、株高、单穗粒质量、单株成穗数、茎粗、穗柄长6 个性状上变异丰富，性状选择潜力较大。

表2 粒用高粱农艺性状变异分析

2.2 粒用高粱农艺性状相关性分析

由表3 可知，粒用高粱9 个农艺性状之间存在相互关联、彼此制约的关系。其中，株高与单株成穗数、生育期、角质率呈正相关，且与生育期相关性达显著水平；与茎粗、主穗长、穗柄长、单穗粒质量、千粒质量呈负相关，且与茎粗相关性达显著水平，与穗柄长相关性达极显著水平；茎粗与主穗长、穗柄长、单穗粒质量、千粒质量、生育期呈正相关，且与主穗长相关性达极显著水平，与单株成穗数、角质率呈负相关，且与单株成穗数、角质率相关性达显著水平；主穗长与穗柄长、单穗粒质量、千粒质量、生育期呈正相关，且与穗柄长、单穗粒质量相关性达极显著水平，与单株成穗数、角质率呈负相关，且与单株成穗数相关性达显著水平；穗柄长与单穗粒质量、千粒质量、生育期呈正相关，与单株成穗数、角质率呈负相关；单穗粒质量与千粒质量、生育期呈正相关，与单株成穗数、角质率呈显著负相关水平；千粒质量与生育期呈正相关，与单株成穗数、角质率呈负相关，且与单株成穗数呈显著负相关；单株成穗数与角质率呈正相关，与生育期呈负相关；生育期与角质率呈负相关。可见，不同性状之间存在信息重叠，可以对这些性状变量进行降维处理。

表3 粒用高粱农艺性状相关性分析

2.3 粒用高粱农艺性状主成分分析

从表4 可以看出，在所有主成分构成中，特征值大于1 的有3 个，分别命名为MF1、MF2、MF3。其中，MF1的特征值为4.184，贡献率为46.49%；MF2的特征值为1.509，贡献率为16.77%；MF3的特征值为1.901，贡献率为12.120%；前3 个主成分累积贡献率达75.381%。表明提取的3 个主成分基本可以概括反映供试材料的9 个农艺性状因子信息。

表4 粒用高粱农艺性状主成分特征值与贡献率

旋转后因子载荷矩阵结果表明（表5），在MF1中，载荷较高且为正值的性状为茎粗、单穗粒质量、穗柄长、主穗长、千粒质量，载荷值分别为0.937，0.927，0.879，0.716，0.492；载荷较高且为负值的性状为单株成穗数、角质率、株高，载荷值分别为- 0.605，- 0.532，- 0.493，表明茎粗、单穗粒质量、穗柄长与单株成穗数、角质率、株高呈负相关，这与相关性分析结果相一致，且单穗粒质量、穗柄长、单株成穗数、千粒质量这些性状主要与植株籽粒产量有关，因此，MF1可称为产量因子。在MF2中，载荷较高且为正值的性状为生育期、株高，载荷值分别为0.854，0.739，说明株高和生育期呈正相关，株高性状与植株株型相关，因此，MF2可称为株型因子。在MF3中，载荷较高且为正值的性状为单株成穗数、角质率、穗柄长、主穗长，载荷值分别为0.389，0.335，0.288，0.285，其中，单株成穗数、穗柄长、主穗长与植株穗形相关，因此，MF3可称为穗形因子。

表5 旋转后因子载荷矩阵

3 结论与讨论

20 份粒用高粱种质资源的农艺性状间存在差异，遗传多样性丰富，且不同性状间相互影响，彼此制约。9 个农艺性状的变异系数从大到小依次为角质率＞株高＞单穗粒质量＞单株成穗数＞茎粗＞穗柄长＞千粒质量＞主穗长＞生育期。相关性分析表明，株高与穗柄长呈极显著负相关，茎粗与主穗长呈极显著正相关，主穗长与穗柄长、单穗粒质量呈极显著正相关。9 个农艺性状依据主成分分析提取了株型、籽粒产量、穗形3 个主成分因子，其累积贡献率达75.381%，3 个主成分基本可以概括反映供试材料的9 个农艺性状因子信息。

遗传多样性是生态多样性和物种多样性的基础，通过遗传多样性研究可掌握粒用高粱种质资源特性，为粒用高粱品系改良和选育提供重要理论支撑[15-17]。本研究通过对20 份国内外粒用高粱种质资源的9 个农艺性状进行遗传变异分析，结果显示，不同粒用高粱材料其农艺性状间存在较大差异，9 个性状除生育期外，其余性状变异系数均在19%以上，表现出了丰富的遗传多样性，而株高、角质率、单株成穗数、单穗粒质量和茎粗变异系数均较大，这与王瑞等[18-20]的研究结果基本一致，均认为粒用高粱在株高、单穗粒质量和单株成穗数性状上可以通过品种改良而获得较大程度的提高。

通过相关性分析和主成分分析可了解多个性状间是否相关、相关性质及密切程度，且利用降维统计方法将多个相关指标转化为少数几个独立的综合因子，依据各因子贡献率大小确定其重要性，可用少数的变量因子来概括解释所有的变量信息[21-23]。本研究对供试材料的9 个农艺性状相关性分析结果显示，降低株高，增加单株成穗数、单穗粒质量、千粒质量可显著增加高粱产量，并从20 份粒用高粱种质资源的9 个性状提取了3 个主成分，即籽粒产量因子、株型因子、穗形因子，3 个主成分因子累积贡献率达75.381%，其可基本反映粒用高粱主要农艺性状的遗传信息。

综上可见，不同粒用高粱种质资源的农艺性状间存在着较大差异，且不同性状间存在相互关联、彼此制约的关系。因此，在粒用高粱新品系改良或选育过程中，应根据不同的育种目标筛选基础材料，主辅因子兼顾，方可提高种质资源利用率、实现综合性状最优化。