基于主成分分析的油用型紫苏新品种（系）适应性评价

赵 龙，葛平珍，于二汝，袁婷婷，何友勋，余 莉

（1.贵州省毕节市农业科学研究所，贵州 毕节 551700；2.贵州省油料研究所，贵州 贵阳 550000）

紫 苏［Perilla frutesceus(L.) Britton］属 唇 形 科(Labiatae)紫苏属(PerillaL.)一年生草本植物，具有特异芳香，是目前发现的种子油中α-亚麻酸含量较高的植物之一［1-2］；紫苏是我国传统药用、食用和油用等多用途的经济植物，广泛分布于海拔260～2010 m、北纬20°～34°区域［3-4］。贵州地处低纬度山区，海拔差异较大，在垂直方向的气候特点差异较大，生态环境复杂多样。贵州紫苏栽培历史悠久，该省特有的喀斯特地貌使紫苏产生了丰富的变异类型，因此贵州蕴含丰富的紫苏地方品种和野生资源，是紫苏的主要生产地之一［5-6］。紫苏高产品种的选育及筛选对当前贵州紫苏品种的大面积示范推广有重要意义。

当前对紫苏的研究主要集中在种子资源遗传多样性、营养成分、功能性成分、产量与农艺性状相关性［6-10］等方面，其中，陈东杰等［10］用关联性分析、回归分析方法对15个油用型紫苏品种的10个农艺性状进行了分析，并以株高、有效分枝数、单株穗数为自变量，建立了单株产量的回归方程；徐静等［9］对贵阳和开阳2个试点209份紫苏材料的8个农艺性状进行了相关及回归分析，建立了单株产量与单株穗数、主穗果数、千粒重之间的回归方程，并得出了理想株型；张以忠等［11］对36份紫苏的11个主要农艺性状进行了相关和通径分析，得出紫苏育种应选择株粒数多、千粒重大的品种。主成分分析是一种多变量分析方法，通过降维并选取累积贡献率大于85%的几个主成分，将较多的变量降维为几个互无关系且能反映原变量信息的综合变量。主成分分析是在农作物遗传育种研究中应用的主要方法之一，目前已在玉米［12］、棉花［13］、谷子［14］、芝麻［15］等作物的育种研究中应用。

笔者以8个紫苏品种为研究对象，对其全生育期、株高、茎粗、主茎节数、单株分枝数、单株总穗数、主穗长度、千粒重、单株籽粒重等9个主要农艺性状进行了相关分析和主成分分析，并根据主成分综合评分对8个紫苏品种的农艺性状进行了综合评价，旨在为乌蒙山区综合农艺性状佳及高产油用型紫苏品种的选育、筛选及示范推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试紫苏品种为贵州省农业科学院油料研究所提供的GS2101、GS2102、GS2103、GS2104、GS2105、GS2106、GS2107、奇苏2号（CK）等8个油用型紫苏品种。

1.2 试验方案

试验地位于毕节市农业科学研究所旱作科研基地(毕节市朱昌镇)，海拔1595.3 m，东经105°17′35″，北纬27°11′18″。试验田前茬作物为藜麦，土质为黄壤。以每个紫苏品种为1个处理，以奇苏2号为对照（CK），每个处理设3次重复，小区随机区组排列，每个小区长5.72 m，宽3.50 m，小区面积20.02 m2；紫苏种植密度为11.4万株/hm2。

田间栽培管理：2021年3月28日用小型旋耕机翻地（重复翻地1次）；4月5日每个小区将有机肥200 kg混合于栽培沟内；4月8日露天育苗移栽；4月17日每个小区施复合肥3 kg，起提苗、壮苗作用；4月25日除草1次；5月5日起垄，起加固定根、保湿作用。

田间记载及考种：根据《苏子种质资源描述规范和数据标准》［16］进行紫苏相关形态学性状的观测或测量；每个品种随机选择10株，田间记载播种期、出苗期、现序期、初花期、终花期、成熟期、全生育期、株高、茎粗、主茎节数、单株分枝数、单株总穗数、主穗长度、千粒重、单株籽粒重等性状。

1.3 数据分析

利用Excel或WPS软件对试验数据进行处理；利用SPSS 22.0软件进行相关性分析；利用DPS统计分析软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 紫苏农艺性状的描述性分析

紫苏农艺性状的描述性统计分析结果（表1）表明，8个紫苏品种的农艺性状存在差异，全生育期、株高、茎粗等8个农艺性状的变异系数为1.99%～62.53%，差异显著。不同农艺性状的变异系数表现为单株总穗数（62.53%）＞单株分枝数（25.92%）＞单株籽粒重（15.59%）＞主茎节数（12.67%）＞株高（12.27%）＞主穗长度（11.10%）＞全生育期（9.65%）＞茎粗（3.86%）＞千粒重（1.99%）。变异系数大于15%的单株总穗数、单株分枝数和单株籽粒重受环境和基因型的影响较大，在不同品种之间具有明显的多样性；其余农艺性状受环境和基因型的影响较小，其中，千粒重受环境和基因型的影响最小。

表1 紫苏农艺性状的描述性统计分析结果

2.2 紫苏农艺性状之间的相关性分析

由紫苏不同农艺性状之间的相关系数（表2）可知：全生育期与株高呈极显著正相关（r=0.862），与单株分枝数呈显著正相关（r=0.782），与千粒重呈显著负相关（r=-0.761）；株高与单株分枝数呈极显著正相关（r=0.845），与千粒重呈显著负相关（r=-0.819）；单株总穗数与主穗长度呈显著正相关（r=0.771）；单株籽粒重与茎粗呈显著正相关（r=0.758）。上述结果表明，除主茎节数与其他性状之间不存在显著相关性外，在紫苏其他农艺性状之间均存在显著或极显著的相关性。

表2 紫苏各农艺性状之间的相关系数

2.3 紫苏农艺性状的主成分分析

2.3.1 Bartlett球形检验 经过Bartlett球形检验，卡方值＝80.2067，P=0.0001＜0.01，表现出显著差异，故可以进行主成分分析。

2.3.2 主成分分析 对紫苏的9个农艺性状进行主成分分析，结果（表3）显示，前3个主成分的累积贡献率为93.159%，说明前3个主成分基本包含了全部9个指标具有的信息。

各主成分的特征向量可能在一定程度上受指标变量的量纲与数量级的影响，不宜用来综合分析主成分，因此，采用各主成分与指标变量之间的相关系数对各主成分进行综合分析。

各主成分与指标变量之间相关系数的计算公式为:

上式中：ρ(yj,xi)为第j个主成分yj与原来指标变量xi之间的相关系数；uji为第j个主成分yj与原来指标变量xi的特征向量；λj为第j个主成分对应的特征值。相关系数ρ(yj,xi)反映第i个指标变量xi对第j个主成分的相对重要性。

从表3和表4可知：第1主成分的特征值为4.659，贡献率为51.764%，以全生育期、株高、单株分枝数、单株总穗数、主穗长度、千粒重、单株籽粒重的影响为主，与株高、全生育期、单株分枝数呈负相关，相关系数分别为-0.884、-0.865、-0.789，与千粒重、单株籽粒重、主穗长度、单株总穗数呈正相关，相关系数分别为0.909、0.748、0.714、0.669，可将第1主成分综合为生长和产量因子。第2主成分的特征值为2.124，贡献率为23.602%，以主茎节数、主穗长度、单株总穗数、茎粗的影响为主，与主茎节数、主穗长度、单株总穗数、茎粗呈正相关，相关系数分别为0.882、0.635、0.542、0.512，可将第2主成分综合为穗型因子。第3主成分的特征值为1.601，贡献率为17.793%，以茎粗、单株籽粒重、单株分枝数的影响为主，与茎粗、单株籽粒重、单株分枝数呈正相关，相关系数分别为0.722、0.610、0.553，可将第3主成分综合为茎粗和产量因子。

表3 紫苏农艺性状主成分分析的特征值及特征向量

表4 紫苏农艺性状与各主成分之间的相关系数

2.3.3 紫苏农艺性状的综合评价 根据各农艺性状的标准化数据和相应的特征向量，利用下列公式计算8个紫苏品种的3个主成分得分：

上式中：Zs1，Zs2, …，Zs9表示各指标的标准化数据；Y(i,1)、Y(i,2)、Y(i,3)分别表示第1～3主成分的得分。

再利用以下综合评价模型计算8个紫苏品种的综合主成分得分：

上式中：λ1～λ3分别表示第1～3主成分的特征值；λ＝λ1＋λ2＋λ3。

从表5可以看出：第1主成分得分排名前3的品种为GS2102、GS2101、奇苏2号，得分分别为2.403、2.105、2.101分，表明以上3个品种的全生育期较短，株高较矮，单株分枝数较少，单株总穗数较多，主穗长度较长，千粒重和单株籽粒重较高；第2主成分得分排名前3的品种为GS2102、GS2107、GS2101，得分分别为1.980、1.722、0.606分，表明这3个品种的主茎节数较多，茎较粗，单株总穗数较多，主穗长度较长；第3主成分得分排名前3的品种为奇苏2号、GS2106、GS2103，得分分别为2.058、1.521、0.589分，表明这3个品种的茎粗较粗，单株分枝数较多，单株籽粒重较高。用单一主成分分析紫苏的农艺性状所得结果存在差异，利用综合评价模型对其进行分析，得到综合主成分得分排名前3的品种为GS2102、奇苏2号、GS2101，得分分别为1.751、1.677、0.976分，表明以上3个品种在乌蒙山区的农艺性状综合表现较好。

表5 紫苏农艺性状的主成分得分及其排名

2.3.4 紫苏主成分的二维排序图 以紫苏各农艺性状主成分1的得分为横坐标，以主成分2的得分为纵坐标，制作二维散点图（图1），可以把8个紫苏品种大致分为三大类。第1类品种为GS2101、GS2102、奇苏2号，此类品种的全生育期较短，植株高度适中，主茎节数适中，单株分枝较少，单株总穗数较多，主穗长度较长，千粒重和单株籽粒重较高；第2类品种为GS2103、GS2104、GS2105，此类品种的全生育期适中，植株高度较高，主茎节数较少，单株分枝数适中，单株总穗数、主穗长度、千粒重、单株籽粒重适中；第3类品种为GS2106、GS2107，其全生育期较长，植株高度较高，主茎节数和单株分枝数较多，单株总穗数较少，主穗长度较短，千粒重和单株籽粒重较低。

图1 紫苏第1主成分与第2主成分的二维散点图

3 小结与讨论

根据描述性统计分析、相关性分析、主成分分析结果，可以将紫苏的9个农艺性状降维为3个主成分，累积贡献率为93.159%。从主成分得分可知，紫苏综合主成分得分排名前3的品种为GS2102、奇苏2号、GS2101，这3个品种的综合农艺性状表现良好，且在二维排序中将这3个品种归为一类，可以在乌蒙山区将以上品种作为育种资源及示范推广用品种。