菜心和芥蓝表型多样性的主成分分析与聚类分析

史卫东，梁 劲，张 力，琚茜茜，罗海玲，康红卫

(1.广西农业科学院蔬菜研究所，广西 南宁 530007；2.玉林市农业科学院，广西 玉林 537000)

【研究意义】菜心(BrassicarapaL. ssp.parachinensis)和芥蓝(BrassicaoleraceaL. var.alboglabraBailey)分别为白菜类和甘蓝类蔬菜，性喜冷凉不耐炎热，播种面积较大，复种指数较高，生产上病虫害发生严重，且经常出现先期抽薹现象，导致产量和品质下降，价格飙升。选育抗病虫和耐热、耐抽薹白菜类和甘蓝类蔬菜品种是解决以上问题的关键。种质资源是选育新品种的基础，我国的菜心和芥蓝种质资源多样性狭窄，但表型多样性丰富，深入挖掘其表型遗传多样性可为育种提供重要的基础信息。相关分析、通径分析和关联分析已广泛应用于菜心和芥蓝的鉴定和评价[1-8]。主成分分析法是在不损失或很少损失原有信息的前提下，将数目较多的指标简化为新的、个数较少的综合指标的分析方法[9]，已应用于菜心品质分析和种质资源研究[10-13]。因此，以主成分分析和聚类分析法综合评价菜心和芥蓝的表型多样性，对深入了解菜心和芥蓝表型性状的相关性及多样性形成机理及挖掘和利用优异蔬菜种质资源具有重要意义。【前人研究进展】已有研究表明，菜心的主要植物学性状包括生育期、株高、开展度、叶片数、叶柄和叶片的长度宽度、叶片重量、叶色颜色、节间长、主薹高、主薹直径、单薹重和单株重及经济产量和薹茎/薹叶值等[4-5，14-15]，其中表型相关性与遗传相关性具有很好的一致性，叶片数、叶片质量、叶柄质量和菜薹粗等4个性状是影响产量的关键性状[4]，与杂交种产量关联的性状主要为株高、叶柄长、叶长、最大叶宽、茎粗、根重、叶柄重、叶重、茎薹重和叶片数[5]。早熟菜心种质在夏秋季的大多数表型性状均存在不同程度变异，夏季的表型性状变异程度明显大于秋季[16]，早熟红菜薹品种(系)单株产量受孙薹数、主薹重和侧薹重的直接正向影响，而孙薹重为负向影响[2]，红菜薹侧薹数、侧薹重和孙薹数等3个性状对单株产量的直接效应为正作用[3]，决定白菜薹单株产量的性状有单薹重、薹长、株幅、叶片数、薹粗、株高和薹数等[8]。菜心的株高、开展度、叶片数、叶重、主薹茎长、主薹粗度、主薹重和单株重等部分性状间呈显著相关，其绝大部分性状信息可用主薹因子和叶片因子表示[12]。芥蓝的主要植物学性状包括熟性、株高、开展度、主薹高、主薹横径、主薹重、节间长短、第一侧枝位置、叶柄颜色、花瓣颜色、花蕾颜色、外叶颜色、外叶形状、叶缘、叶面、菇叶、主薹颜色和主薹重及薹叶形状等[7，17-20]，部分性状间存在极显著的遗传差异和丰富的多样性[20]，齐口期、株高、茎粗、开展度、叶重、薹茎重和分枝数的变异很明显，薹茎重与叶重呈显著相关性，齐口期与叶片数无相关性[6-7]，生物量与成熟期呈显著正相关。【本研究切入点】蔬菜种质资源鉴定和评价是优异蔬菜资源利用的前提，但目前未见针对菜心和芥蓝种质资源植物学性状进行综合评价的研究报道。【拟解决的关键问题】利用主成分分析和聚类分析法分析26份菜心和7份芥蓝在大田生产条件下的表型多样性变化情况，为其种质资源的评价、筛选及新品种选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料包括26份菜心资源(其中，菜心资源17份，杂交组合9份，分别编号1～26)和7份芥蓝资源(分别编号27～33)，均由广西农业科学院蔬菜研究所提供，其名称和来源见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 33份蔬菜资源均于2017年12月在广西绿耕农业有限公司田间随机直播，每份种植10 m2，不设重复，在灌溉、施肥和病虫防治等方面均按照该公司的管理要求进行，以保证生长条件与大田生产一致。采收期每份材料随机取样10株用于测定相关指标。

1.2.2 性状考查 16个表型性状考查：采用米尺测量株高(地面至植株顶端高度)、开展度(俯视植株上下和左右两个覆盖面距离的乘积)和主薹茎长(地面至主薹顶端长度)；采用游标卡尺测量主薹最粗部位的直径；采用电子计重秤测定叶重、臺重和单株重。叶色和薹色赋值标准：目测，1代表浅绿，2代表绿色。抗性(耐涝性、耐热性、抗霜霉病、抗炭疽病和抗虫性)中的抗病性和抗虫性赋值标准：大田观察所测植株，0代表差，1代表中，2代表强。花期性状观测：将齐口期至主茎终花期的整个时间段分为5期，设每期为1个性状，其中，第一朵花开放为初花期，0～25 %开花为1/4花期，25 %～50 %开花为1/2花期，50 %～75 %开花为3/4花期，75 %～100 %开花为末花期。叶片数为全株可见叶片的数量。

表1 供试菜心和芥蓝资源的名称和配组来源

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行统计，以SPSS 16.0进行主成分分析，以默认欧氏距离为聚类统计量，采用组间联接进行聚类分析并形成树状图。

2 结果与分析

2.1 菜心和芥蓝资源表型性状的变异情况

2.1.1 植物性状的变异情况 由表2可知，菜心株高和主薹茎长的变异系数(均为9.13 %)均小于10.00 %，其余8个植株性状和芥蓝10个植株性状的变异系数均大于10.00 %；菜心和芥蓝开展度的变异系数(分别为42.85 %和76.93 %)在所有植株性状中均最大；菜心株高、开展度、叶片数和主薹茎长性状的变异小于芥蓝，其余植株性状的变异均大于芥蓝。可见，菜心和芥蓝都具有较大且来源不同的表型性状变异。

2.1.2 花期性状 菜心和芥蓝的采收期是齐口花时期，相当于初花期，而其4个花期的变异系数均小于10.00 %(表2)；菜心花期的变异系数均大于芥蓝，但二者的变异系数均以初花期最大(分别为9.42 %和5.29 %)，说明初花期可能是菜心和芥蓝花期性状变异的主要来源。

2.1.3 抗性性状 从表2可看出，菜心的抗虫性和抗病性变异系数远大于其植株性状和花期性状，且极差均较小；芥蓝的抗虫性变异系数仅小于开展度的变异系数，抗病性变异系数大于其所有花期性状和多数植株性状的变异系数，且其抗虫性和抗病性的极差均较小。说明不同菜心和芥蓝资源的抗病虫性变异很明显，其中抗虫性变异大于抗病性，菜心的抗病性和抗虫性变异大于芥蓝。

2.2 菜心和芥蓝资源表型性状的相关性分析

相关性分析结果(表3)表明，菜心花期性状的4个花期间呈极显著正相关(P<0.01，下同)，说明其花期的一致性和整齐度很高；株高与主薹茎长、主薹直径与主薹重呈极显著正相关，说明株高与主薹茎长、主薹直径与主薹重的增加趋势一致；单株重与主薹直径、主薹重和叶重呈极显著正相关，叶重与开展度和主薹重呈显著正相关(P<0.05，下同)，与叶片数呈极显著正相关，说明主薹重和叶重增加与开展度增加具有一致性；叶片数与单株重呈正相关，但相关不显著(P>0.05，下同)，说明叶片数对单株重的影响不明显；叶色与臺色呈极显著正相关，说明菜心植株颜色的一致性和整齐度很高；菜心的抗虫性与叶片数呈极显著负相关，与其他性状相关不显著，抗病性与抗虫性呈极显著正相关，其他性状相关不显著，说明菜心叶片数的增加对其抗虫性和抗病性具有不良影响，而抗病性和抗虫性与极大多数表型性状无明显关联。

表2 菜心和芥蓝资源16个表型性状的变异情况

芥蓝花期性状的4个花期间呈极显著正相关，说明芥蓝花期的一致性和整齐度很高；株高与主薹茎长和叶重呈极显著正相关，与叶色、薹色、抗病性和抗虫性呈极显著负相关，说明株高与主薹茎长和叶重的增加趋势一致，但对叶色、薹色、抗病性和抗虫性会产生不良影响；开展度与主薹直径和主薹重呈显著正相关，主薹直径与主薹重呈极显著正相关，说明三者间的增加趋势一致；叶片数与花期、开展度、主薹直径、主薹重和单株重均呈极显著负相关，说明叶片数增加会对花期、开展度、主薹直径、主薹重和单株重产生负面影响；叶重与株高和主薹茎长呈极显著正相关，与开展度呈显著负相关，说明叶重随着株高和主薹茎长的增加而增加，但对开展度具有不良影响；单株重与花期、主薹直径和主薹重呈极显著正相关，与叶片数呈极显著负相关，说明单株重随着花期的发展及主薹直径和主薹重的增加而增加，但对叶片数产生不良影响；叶色与臺色呈极显著正相关，说明为芥蓝植株颜色具有很高的一致性和整齐度；抗虫性与抗病性呈极显著正相关，与叶重呈显著负相关，说明叶重增加对其抗虫性和抗病性具有不良影响。综上所述，菜心性状间的相关性比芥蓝简单，二者的花期、株高、主薹茎长、主薹直径、主薹重和单株重等的相关性变化趋势一致，而开展度、叶片数、叶重、叶色、薹色、抗病性和抗虫性等的相关性变化呈现较大差异。

2.3 主成分分析

由表4和表5可知，菜心的第一主成分特征值为5.382，对总遗传方差的贡献率最大，为33.64 %，对应特征向量较大的性状为花期、叶片数、叶重、单株重和薹重，而4个花期性状间呈极显著正相关，可称为花期因子；第二主成分的贡献率为21.345 %，对应特征向量较大的性状为主薹直径、叶重、主薹重和单株重，反映的是主薹生长状况，均与主薹性状相关，可称为主薹因子；第三主成分的贡献率为15.811 %，对应特征向量较大的性状为叶色和薹色，反映的是植株颜色性状，可称为颜色因子；第四主成分的贡献率为10.967 %，对应特征向量较大的性状为叶片数、主薹茎长和株高，反映的是与叶片生长相关的信息，可称为叶片因子。前4个主成分的累计贡献率达81.764 %，表明菜心16个表型性状的绝大部分信息可由花期因子、主薹因子、颜色因子和叶片因子表示。

表3 菜心和芥蓝资源16个表型性状的相关性分析结果

从表4～5可看出，芥蓝的第一主成分特征值为7.714，对总遗传方差的贡献率最大，为48.214 %，对应特征向量较大的性状为花期、主薹直径、主薹重和单株重，而4个花期性状间呈极显著正相关，可称为花期因子，与叶片数间的负向系数较大，说明进入花期后主薹重和单株重增加会引起叶片数减少；第二主成分的贡献率为34.941 %，对应特征向量较大的性状为开展度、主薹重、1/2花期和3/4花期，而株高、主薹茎长和叶重的负向系数较大，表明主薹重和开展度增加会引起株高和主薹茎长降低，反映的是主薹生长状况，可称为主薹因子；第三主成分的贡献率为8.277 %，对应特征向量较大的性状为叶重和单株重，可称为叶片因子。前3个主成分的累计贡献率达91.382 %，表明芥蓝16个表型性状的绝大部分信息可由花期因子、主薹因子和叶片因子来表示。

综上所述，生产上应避免菜心提早抽薹开花，以免株高和主薹茎长降低，并通过促使主薹直径、主薹重和叶重增加而提高菜心的单株重和产量；对芥蓝则避免其推迟抽薹开花，并通过促使其株高、主薹茎长、主薹直径和主薹重增加及减少叶片数量和叶重而提高单株重和产量。

2.4 表型多样性的综合评价结果

将初花期、1/4花期、1/2花期、3/4花期、株高、开展度、叶片数、主薹茎长、主薹直径、主薹重、叶重、单株重、叶色、薹色、抗病性和抗虫性标准化后的数据依次设为X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15和X16，根据入选的特征值和特征矩阵分别构建26份菜心和7份芥蓝资源的主成分线性回归方程，再以每个主成分的方差贡献率为权重，分别构建菜心和芥蓝资源的综合评价指数并进行排序。

菜心4个主成分的线性回归方程为：

F1=0.390X1+0.390X2+0.376X3+0.382X4-0.187X5+0.166X6+0.252X7-0.187X8+0.015X9+0.169X10+0.253X11+0.238X12+0.162X13+0.162X14+0.093X15-0.193X16

表4 菜心和芥蓝资源的特征向量、特征值、贡献率和累积贡献率

表5 菜心和芥蓝主成分的载荷矩阵

F2=-0.189X1-0.183X2-0.226X3-0.202X4+0.143X5+0.302X6+0.129X7+0.143X8+0.448X9+0.398X10+0.346X11+0.430X12-0.013X13-0.013X14+0.159X15-0.022X16

F3=0.052X1+0.057X2+0.049X3+0.050X4+0.391X5-0.160X6-0.104X7+0.391X8-0.063X9+0.121X10-0.075X11+0.040X12+0.515X13+0.515X14+0.003X15+0.303X16

F4=0.068X1+0.056X2+0.067X3+0.090X4+0.425X5-0.166X6+0.475X7+0.425X8-0.053X9-0.140X10+0.167X11-0.004X12-0.214X13-0.214X14-0.400X15-0.251X16

芥蓝3个主成分的线性回归方程为：

F1=0.348X1+0.339X2+0.344X3+0.344X4+0.075X5+0.199X6-0.345X7+0.075X8+0.346X9+0.326X10+0.060X11+0.324X12-0.061X13-0.061X14-0.061X15-0.107X16

F2=0.027X1+0.043X2+0.113X3+0.113X4-0.393X5+0.141X6-0.064X7-0.393X8+0.002X9+0.125X10-0.276X11-0.037X12+0.382X13+0.382X14+0.382X15+0.327X16

F3=0.146X1+0.151X2-0.029X3-0.029X4+0.063X5-0.452X6+0.042X7+0.063X8-0.157X9-0.034X10+0.633X11+0.261X12+0.283X13+0.283X14+0.283X15-0.072X16

表6 菜心各主成分值和综合评价分值排名

表7 芥蓝各主成分值和综合评价分值排名

菜心和芥蓝的综合评价指数为：

F菜心综=0.411F1+0.261F2+0.193F3+0.134F4

F芥蓝综=0.528F1+0.382F2+0.090F3

由表6可知，菜心4号和12号的花期、主薹和叶片性状优异，综合评价分值较高，菜心20号和25号的花期性状优异，菜心20号的叶片性状优于主薹性状，综合评价分值较高，菜心4号、12号、25号和20号的综合排名前4位；而其余22份菜心和芥蓝资源的综合评价分值较低，其中得分最低的菜心22号仅有叶片性状为正值，花期、主薹和颜色分值均较低，说明其综合性状表现较差。由表7可知，芥蓝6号和7号的花期和主薹性状优异，芥蓝5号的花期性状优异，综合评价分值较高；而其余4份芥蓝的综合评价分值较低，其中芥蓝1号的花期、主薹和叶片性状表现较差。

1～26为菜心资源编号(与表1对应)

2.5 聚类分析结果

分别将菜心和芥蓝资源的16个表型性状数据进行标准化处理，采用欧氏距离和组间联接方法进行聚类分析。从图1可看出，多数菜心资源的遗传距离较近，表明菜心的遗传基础狭窄；在欧式距离15.5处，26份菜心资源可分为三大类，第一类包括菜心2号、3号、5号、6号、8号、10号、11号、15号、16号、17号、18号、19号、21号、22号和23号等15个品种，具有花期较早、植株低矮、开展度较小、叶片数较少、叶重较小、主薹茎长和直径较小、主臺重较小、单株重较小及抗病虫性中等特点；第二类包括菜心1号、7号、9号、13号、14号、24号和26号等7个品种，具有花期较早、植株最高、开展度较大、叶片数较多、叶重较大、主薹茎长和直径较大、臺重较大、单株重较大及抗病虫性中等特点；第三类包括菜心4号、12号、25号和20号等4个品种，具有花期较晚、株高较低、开展度较大、叶片数较多、叶重较大、主薹茎长较小但直径较大、臺重较大、单株重较大、抗病性中等和抗虫性差等特点。

从图2可看出，在欧式距离4.5处，7份芥蓝资源可分为两大类，第一类为芥蓝1号(灵山芥蓝)，具有花期较早、植株低矮、开展度小、叶片数多、叶重小、主薹茎长小、直径较小、臺重较小、单株重小及抗病虫性和适应性强等特点，第二类为芥蓝2～7号(商品种)，具有花期较晚、植株高大、开展度大、叶片数少、叶重大、主薹茎长大、直径较大、臺重大、单株重大和抗病虫性强等特点。

1～7为芥蓝资源编号(分别与表1的27～33号对应)

3 讨 论

菜心和芥蓝的食用部位为菜薹和叶片，本研究发现其菜薹和叶片性状变异较明显，其中菜心的菜薹和叶片性状变异主要源于叶重、主薹重、单株重、开展度、主薹直径、薹色和叶色等质量性状和横向性状，而株高、主薹茎长和叶片数的变异较稳定。相反，芥蓝的菜薹和叶片性状变异主要源于株高、主薹茎长和叶片数等纵向性状和叶片数，说明菜心和芥蓝具有不同的变异性状来源并具有相应的表型多样性。

本研究结果表明，菜心4个花期间呈极显著正相关，但与其他多个性状间相关不显著，意味着花期变异与其他性状变异可能未同步发生，除开花初期外，其余3个花期对全生育期的影响可能不明显。已有研究表明，菜心的叶片数、叶柄长和叶柄重、叶长、叶重、薹粗、薹长、株高及茎薹重等性状具有相关性或关联性[4-5，16]，其中，薹粗、叶重、叶片数和叶柄重是影响菜心产量的4个关键性状，决定菜薹重的主要性状是薹粗和叶重，其次是叶片数[4]。红菜薹高产育种需考虑主薹重、侧薹重、侧薹数和孙薹数等性状[2-3]，总叶数、薹粗、薹长和叶宽可作为菜心早熟耐热品种田间选育的重要表型依据，其中薹粗和薹重尤其重要[16]。本研究中，菜心的开展度与单株重、叶重与开展度、叶片数和主薹重间呈显著或极显著正相关，主薹直径与主薹重和单株重、单株重与主薹重和叶重呈极显著正相关，表明菜心主薹重、叶重和菜薹直径对单株重的贡献较大，与徐跃进等[1]、曾国平和章崇玲[3]、佘旭东等[15]的研究结果一致。芥蓝的4个花期间也呈极显著正相关，但与菜心不同的是，其4个花期与开展度、主薹直径、主薹重和单株重间呈显著或极显著正相关，花期对芥蓝产量等性状形成具有促进作用；花期与叶片数呈极显著负相关，叶片数与主薹直径、主薹重和单株重等呈极显著负相关，表明芥蓝的叶片数增加不利于其产量等性状形成。可见，芥蓝花期性状与其他性状的相关性比菜心花期性状与其他性状的相关性更紧密、更复杂，而芥蓝的采收期处于开花初期，因此，在抽薹开花初期前加强田间管理，可能更容易获得优质菜薹。本研究中，菜心的抗虫性与叶片数呈极显著负相关，抗病性除与抗虫性极显著相关外，与其他性状相关不显著，而芥蓝的抗虫性与叶重呈显著正相关，抗病性、抗虫性、叶色和薹色间呈极显著正相关，与株高和主薹茎长间呈极显著负相关，说明抗病性可能对芥蓝更重要，而抗虫性对菜心更重要。

本研究中，不论菜心或芥蓝，其16个表型性状间均具有较大的相关系数，因此，适宜用主成分分析法来揭示其变量间的关系。其中，将菜心的16个表型性状用花期因子、主薹因子、颜色因子和叶片因子来表示，将芥蓝的16个表型性状用花期因子、主薹因子和叶片因子来表示，可简化表达表型性状及其相互关系，并能简单直观地评价其原始性状，并最终归纳出菜心花期不宜提前、芥蓝花期不宜推迟、菜心的叶片以较大为好、芥蓝的叶片越小越好，二者都需要减少叶片数量和重量以增粗增重主薹的结果。本研究中的叶色和薹色是菜心的主成分因子，不是芥蓝的主成分因子，表明菜心和芥蓝具有颜色差异，因此，叶色和薹色可作为评价菜心表型性状的指标。菜心的表型性状变异系数较大但多数性状间的相关性较弱，主成分因子对其表型性状均有不同程度的贡献率，而芥蓝的表型性状变异系数较小，但多数性状间呈显著或极显著相关，只有6个主成分因子对其表型性状有贡献率，表明菜心和芥蓝同为十字花科蔬菜的亲缘关系较近，但其16个表型性状的变异及相关性变化，能塑造出丰富的表型多样性变异，为种质资源挖掘和利用提供大量的可用信息。

已有研究表明，菜心和芥蓝品种在熟性、植株形态、产量和品质等方面存在明显差异[14，19，21-22]。本研究中的26份菜心资源有品种、自交系和杂种后代之分，通过聚类分析可将其聚为三大类，其中，15份资源的表型性状较差，聚为第一类；7份资源的花期较早，株高、主薹茎长、直径和主薹重较大，开展度居中，聚为第二类；4份资源具有花期晚、株高较低、开展度较大、叶片数较多、主薹茎长较小、抗病性中、抗虫性差及直径、臺重、叶重和单株重较大等特点，聚为第三类，第二和三类均为主薹发育较好的一类，但由于菜心种质资源的多样性较狭窄，因此仍需通过多种途径拓宽和提高其表型多样性水平。在综合评价中，菜心4号和12号的花期、主薹和叶片性状表现优异，菜心20号和25号的花期性状表现优异，菜心20号的叶片性状优于主薹，表明菜心的聚类分析结果与主成分分析结果一致性较好。卢宇鹏等[10]研究显示，不同菜心品种营养品质的聚类分析与主成分分析结果基本一致，本研究结果也表明，主成分分析法可广泛应用于菜心种质资源表型多样性研究。本研究中的7份芥蓝资源可聚为两大类，第一类为芥蓝1号(灵山芥蓝)，第二类为芥蓝2～7号(商品种)。综合评价结果表明，芥蓝1号的叶片和主薹性状表现均较第二类为芥蓝2～7号差，商品性状也较差，而芥蓝2～7号的商品性较好，其聚类分析结果与主成分分析的综合评价结果一致，因此，主成分分析法也可广泛应用于芥蓝种质资源表型多样性研究。

4 结 论

菜心和芥蓝表型多样性的主成分分析结果与聚类分析结果一致性较佳，其中主成分分析可简化表达表型性状及其相互关系，用以评价原始性状更简单直观，用于种质资源评价可提高准确度。