基于因子分析的抗根肿病油菜品种（系）综合评价——以荆门市掇刀区根肿病发病区为例

侯晓静，龙永红，龙飞，王瑾，许强*

（1.荆门（中国农谷）农业科学研究院，湖北 荆门，448000；2.荆门农业技术推广中心，湖北 荆门，448000；3.华中农业大学植物科技学院，湖北 武汉，430070）

十字花科根肿病是由芸薹根肿菌（Plasmodiophora brassicaeWoron）引起的土传病害，病菌能够侵染和危害十字花科植物根部[1]，是一种在全球范围内极具危害的植物病害之一[2]，包括中国在内的60 多个国家均有发生[3]。我国根肿病分布区域较广[4]，油菜根肿病主要分布在四川、云南、安徽、湖北等地[5]。一旦受到感染，油菜作物籽粒产量和含油量均会显著下降[2]。生产应用中，根肿病较为常见的防治措施有农业综合防治，生物、化学农药防治，培育抗病品种等[6～8]。但由于根肿菌对环境抵抗力强、存活时间长，普通防治措施成本高且无法彻底解决该病的危害[9]。因此，抗病品种培育是防治根肿病最经济、最有效的途径[10～12]。目前，加拿大在油菜抗根肿病育种方面开展了相关工作，成功培育出了油菜抗病新品种。我国华中农业大学张椿雨教授团队利用含多个抗病位点的芜菁ECD04 和抗病大白菜CR Shinki 为父本分别与优良甘蓝型油菜常规品种华双5 号和波里马恢复系丙409 进行杂交，成功培育了我国首批抗根肿病甘蓝型油菜常规新品系华双5R和华油杂62R。

由于芸薹根肿菌致病力强，且致病型生理小种分化形成多种复杂的群体结构，同一抗病品种对不同的生理小种可能具有不同的抗性反应，导致抗病品种在实际生产中的抗性表现及其生产性能表现存在较大的不确定性。因此，综合评价不同油菜抗根肿病材料在实际生产中的表现尤为重要。因子分析法是一种用来研究存在于同一系统中多个可观测变量之间相互关系的多元统计分析方法，基本目的是用少数几个因子描述多个指标或因素之间的联系[13]。由于其在作物多性状分析及评价领域应用的可行性，目前在作物遗传育种及种质资源评价中已有较多应用，主要用于分析作物品种多个数量性状复杂的相互关系[14,15]。本研究尝试采用因子分析法，对在荆门市根肿病重度发病田块种植的16个抗根肿病品种（系）进行综合性评价和种植效益分析，通过与抗根肿病品种华双5R和华油杂62R进行比较及综合评价，筛选出抗根肿病新品系18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02，以期为抗病品种在实际生产中的推广应用提供理论参考，同时为我国油菜抗根肿病育种工作提供宝贵资源。

1 材料与方法

1.1 材料

供试的16个油菜品种（系），系华中农业大学张椿雨教授团队培育的具有抗根肿病特性的新型甘蓝型油菜，均由华中农业大学国家油菜工程技术中心提供，其中华双5R和华油杂62R为对照品种。

1.2 实验设计

试验于2018-2019年在荆门市掇刀区团林铺镇马庙村进行，前茬作物为水稻，由于根肿病发病严重，试验田块已连续三年未种植油菜。田块致病菌生理小种经Williams 鉴别系统鉴定为4 号小种（由华中农业大学国家油菜工程技术中心鉴定）。

试验共设16 个处理，每个处理3 次重复，采用完全随机设计，小区大小为4 m × 3 m，面积12 m2。油菜播种量均为4.5 kg/hm2，人工条播，行距0.3 m，株距0.15 m，定苗后每小区基本苗均为260株左右。所有小区施肥、灌水等田间管理措施一致。

1.3 样品分析与调查分级标准

1.3.1 样品分析 油菜成熟后，通过对小区进行单收单打测定菜籽产量；油菜籽含油量、硫苷（硫代葡萄糖苷）含量采用近红外检测技术测定。

1.3.2 调查分级标准 根肿病调查标准采用0～4级，分级标准如下：0为根部无病；1级为须根末梢上有少量且较小根瘤；2 级为侧根上有根瘤出现；3 级为须根及侧根根瘤大且主根末梢有小的根瘤；4 级为主根全部肿大，根上根肿部分开始龟裂腐烂、植株出现萎焉症状或已死亡。

1.4 数据统计分析

所有数据采用SPSS22.0 统计软件进行因子分析。

1.4.1 因子分析 （1）数据标准化处理：为使所有结果量纲一致，因子分析前，采用隶属函数法对原始数据进行均衡归一化（标准化）处理。其中正相关指标（产量、含油量）依据公式（1）计算；负相关指标（硫苷含量、发病率、病情指数）依据公式（2）计算。

式中，Xin和X'n分别指第n个品种中第i项指标原始数据的隶属函数值；Uin为第n个品种第i项指标的原始测定结果；Uimin和Uimax分别指样品组中第i 项指标的最小值和最大值。

（2）主成分分析：数据经标准化后进行主成分分析，根据主分量累计贡献率≥85%的原则，确定主成分（公因子）个数，得出主成分的分值Fjn；依据公式（3），将各公因子的特征值贡献率作为权数进行加权求和，可得出不同抗根肿病油菜品种评价综合得分。

式中，Dn是主成分分析法所得各品种指标的综合得分；Fjn为第n个样品第j个特征值大于1 的主成分得分；m为特征根大于1的主成分个数；Ej为第j个主成分的贡献率。

1.4.2 病情指数计算及抗性类型划分 发病率及病情指数分别依据公式（4）和（5）计算。

抗性类型依据病情指数（ID）划分[2]：ID 为0（免疫）；0＜ID≤5，高抗（HR）；5＜ID≤15，抗病（R）；15＜ID≤30，中抗（MR）；30＜ID≤50，感病（S）；ID＞50，高感（HS）。

2 结果与分析

2.1 不同抗根肿病油菜品种（系）田间抗性表现及品质指标结果

2.1.1 不同油菜品种（系）田间抗性表现 由表1

表1 不同油菜品种（系）抗病性鉴定结果Table 1 Identification results of disease resistance of different rapeseed lines

可以看出，不同抗根肿病油菜品种（系）中，表现高抗、抗病、中抗、感病和高感的分别有5、2、3、3、3个，分别占供试材料的31.25%、12.5%、18.75%、18.75%、18.75%，病情指数分别为0.26～3.55、11.49～11.79、22.48～29.41、36.16～46.59、70.27～86.91。

2.1.2 不同油菜品种（系）抗病性及品质指标变异程度 从变异程度来看，发病率和病情指数变异系数较大，均接近100%，说明同一区域不同油菜品种（系）间抗病性存在较大差异；含油量变异程度较小，低于10%（表2），说明不同品种（系）间含油量差异不显著。

表2 不同油菜品种（系）品质指标测定结果Table 2 Determination results of quality indexes of different rapeseed lines

2.1.3 不同油菜品种（系）抗病性及性状指标分析 根据表3 可知，不同品种（系）间抗病性差异显著，高抗品系18 苗331、18 苗336、18 苗337、SHR01以及华双5R 的抗病性显著高于其他材料（P＜0.05）。不同品种（系）菜籽产量差异显著，且与抗病性呈现不同趋势，高抗品种（系）华双5R、18 苗331、18 苗336 产量显著低于中抗品系18ZP05（P＜0.05）；高感品系18 苗335、18 苗338 和华919 菜籽产量严重下降且显著低于其他材料（P＜0.05）。

表3 不同油菜品种（系）抗性及性状指标分析Table 3 Analysis of resistance and character index of different rapeseed lines

2.2 不同抗根肿油菜品种（系）的综合评价

2.2.1 KMO 检验和巴特利球度检验 对标准化后的数据进行KMO检验和巴特利球度检验，由检验结果可知（表4），KMO 统计值为0.619，大于0.5，巴特利球形检验的卡方统计值为94.005（P＜0.001），两项统计指标的检验结果表明本研究适合进行因子分析。

表4 KMO检验和巴特利球度检验结果Table 4 KMO test and Bartley sphericity test results

2.2.2 主成分的确定及旋转因子载荷矩阵分析由表5 可知，2 个公因子（F1、F2）对样本方差的累计贡献率为86.637%，具有充分的代表性，表明可以用这2 个公因子代表原来5 个评价指标因子，对16个抗病油菜品种（系）品质进行分析和评价。

表5 16个油菜品种（系）的旋转因子载荷矩阵分析Table 5 Analysis of rotation factor loading matrix of 16 rapeseed lines

可以看出，第1 主成分（F1）贡献率达56.685%，具有较高载荷的指标有病情指数、发病率、产量。发病率和病情指数是作物抗病性能最直观的体现，也是影响作物产量的关键性因子。产量和抗病性能的高低影响作物的经济效益。因此将第1主成分命名为经济指标因子。第2 主成分（F2）贡献率为29.951%，其中硫苷含量和含油量贡献较高。硫苷与含油量是油菜重要的品质性状，低硫苷含量与高含油量已成为油菜育种与生产的目标之一[16]。因此将第2主成分命名为品质指标因子。

2.2.3 不同油菜品种（系）各因子得分及综合评价 利用SPSS统计软件计算主成分各因子的得分，并且根据式（3）计算各品种综合得分，具体结果见表6。可以看出，在本试验中，综合得分排名靠前的品种（系）依次为18ZP01、18ZP05、18 苗337、18 苗336、SHR02。其中，18ZP01 和18ZP05 在品质指标因子中排名前二，说明其在高含油量和低硫苷含量上具有较高优势。18 苗337、18 苗336 和SHR02 在经济指标因子中排名分别为第1、3和5，说明其在根肿病病区丰产性表现较好。

表6 16个油菜品种（系）各主成分因子得分及综合得分与排名Table 6 Principal component and comprehensive scores and orders of 16 rapeseed lines

不同抗病品系在2个公因子上的得分排序也各不相同。以经济指标因子（F1）排序，18 苗337、SHR01、18苗336、18苗331、SHR02排名靠前。以品质指标因子（F2）排序，18ZP05、18ZP01、SHR06、18ZP02、华919排名靠前。

2.3 不同油菜品种（系）综合评价的检验

种植效益的高低在一定程度上反映了农作物产量和品质的高低，可以间接反映抗病品种的实际应用价值。因此，本研究参考当地2020年度菜籽收购价格行情（表7），计算不同品种（系）油菜籽收益，以效益来检验综合评价结果的准确性。

表7 荆门市2020年油菜籽收购价格Table 7 Rapeseed purchasing price in 2020 of Jingmen City

由图1 可以看出，综合得分排名靠前的18ZP01、18ZP05、18苗337、18苗336和SHR02，其种植效益也较高，排名分别为第4、1、3、6 和5。其中，华油杂62R 虽然综合得分中等，但由于其较为稳定的丰产性，因此效益排名较综合得分有一定程度上升。种植收益排名靠后的品种（系）为华双5R、SHR07、18 苗335、18 苗338 以及华919。效益趋势与因子分析综合得分趋势基本吻合，说明因子分析的结果与客观实际接近，评价结果可靠有效。

图1 不同油菜品种（系）种植效益比较Fig.1 Comparison of planting benefits with different rapeseed lines

3 讨论

3.1 因子分析与综合评价

对16个油菜品种（系）的田间抗病性、产量和品质等农艺性状的调查和测定结果显示，油菜各品种（系）间抗病性与田间农艺性状存在不同程度的相关性和相对独立性，采用单一或者几个指标进行评价往往具有片面性及不确定性。因此，提取公因子对所有供试材料进行综合评价十分必要。目前，此法已在苹果[17]、甘薯[18]、大蒜[19]等多种种质资源评价方面得到了广泛应用。

本研究通过因子分析，将反映16 个油菜品种（系）较为重要的抗病性及农艺性状指标简化为2个公因子，累计方差贡献率达86.637%，由此可见2 个公因子既能反映原始数据的绝大多数信息，又剔除了重复的部分，更有利于全面把握各个品种的综合指标性状，排名结果更为客观合理。此外，通过对各油菜品种（系）菜籽收益进行分析，进一步验证了综合评价结果的准确性。

3.2 不同油菜品种（系）的抗性及田间表现差异

十字花科作物根肿病抗性的鉴定较为常见的方法有人工接种鉴定和田间鉴定。其中，田间鉴定在作物自然生长条件下进行，鉴定结果更能反映品种田间抗性表现[20]。从本研究来看，华双5R 与华油杂62R 作为国内率先培育出的抗根肿病油菜品种，田间抗性表现优越，这与王晓娥[21]、李倩[22]研究结果一致。值得注意的是，从本团队2018-2019 年试验情况来看，华双5R抗性虽然显著高于试验中绝大多数品种（系），但与同抗性水平或较低抗性水平品种（系）相比，其丰产性还有待进一步提升。这或许是由于油菜对根肿病有一定的抵御和恢复能力，根瘤周围会萌发出新的须根促进油菜恢复性生长[8,23]。因此，一些前期表现为抗病或中抗的品种（系），后期发生恢复性生长情况，产量也随之增加。杨玉珠等研究表明，油菜不同生育期根肿病发生程度不同，其中薹期最为严重，成熟期发病率和病情指数均有所下降[24]。结合本研究结果，在根肿菌侵染较为轻微区域，探索油菜种植良好的栽培管理措施，如在油菜蕾薹期增施肥料，后期保证水分供应，促进油菜根肿周围新须根的生长[8]，可以有效减轻根肿病带来的危害。

本试验开展区域为根肿病重发区，从结果来看，18苗335、18苗338和华919抗性为高感类型，其发病率较高，菜籽产量及种植效益均受到严重影响，说明不适宜进行大面积推广应用。结合综合评价及种植效益，具有较高推广应用价值的品种（系）为18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02。 其中18ZP05、18ZP01 和SHR02 的根肿病发病率和病情指数低于华油杂62R，18 苗337 的抗性表现更好，其发病率和病情指数显著低于华双5R 和华油杂62R。同时，这些品种（系）均在根肿病重发区仍保持了较高的油菜籽产量，品质也相对较好。种植效益均高于华双5R，其中18ZP05 的种植效益要优于华油杂62R。但由于根肿菌自身具有致病性分化的特征，即使是同一品种（系）在不同地区其抗感表现也会不同[21]。因此，若在其他病区引种，建议先小范围试种，待确定其抗性表现后再考虑大面积推广。

4 结论

本研究对16 个抗根肿病油菜品种（系）的5 个主要指标进行了分析，共提取出2 个特征值大于1的公因子，分别是发病率、病情指数和产量组成的公因子1（F1），含油量和硫苷含量组成的公因子2（F2），两个公因子的累计方差贡献率为86.637%。经综合评价分析根肿病抗性和农艺指标表现，筛选得到18ZP05、18 苗337、18ZP01 和SHR02 4 个材料在根肿病抗性及综合种植效益表现优异，可考虑在当地根肿病发病区域进行进一步的种植推广。本研究的开展，可为抗病品种在实际生产中的推广应用提供参考，也为我国油菜抗根肿病育种提供了宝贵的资源。