基于灰色关联与主成分聚类分析综合评价37 份长荚豇豆种质资源

符启位，黄伟康，陈积杰，郭静依，王绥利，黄国宋，罗 丰

（1.三亚市南繁科学技术研究院，海南 三亚 572000；2.海南省农业科学院植物保护研究所/海南省农业科学院农产品质量安全与标准中心，海南 海口 571100）

【研究意义】豇豆（Vigna unguiculata）是豆科（Leguminosae）豇豆属（Vigna）的一个重要栽培种［1］。我国是豇豆的次生起源中心，品种资源丰富［2］。长豇豆营养丰富［3］，是常见种植蔬菜之一，在我国大部分地区均有种植，其中海南省种植面积已达5 340 hm2、出岛产量达15 万t，是海南省冬春季主要北运蔬菜［4-5］，主要销往广东、湖南、江西等省份。春节前后3 个月，三亚市瓜菜特别是豇豆在国内各大市场所占份额较大，2016 年春节占上海市场总份额90%左右［6］。然而近年来，由于多年连作、病害流行等因素造成海南豇豆大量减产［7］。因此，对现有豇豆新品种进行综合评价，选育适合在海南冬春季节栽培种植的优良豇豆新品种，显得尤为重要。【前人研究进展】目前有关豇豆的研究主要集中在品种改良与增产方面［8］，而对豇豆品种资源特性及分类的研究是提高育种效率的前提之一。潘飞等［9］比较了5 个不同豇豆品种对斑潜蝇的抗虫性并筛选出海豇二号、南豇一号2 个抗虫性较好的品种；张渭章等［10］鉴定了39 份长豇豆品种的煤霉病并对其14 个重要农艺性状进行考查，结果表明7 个豇豆品种对煤霉病免疫、高抗或抗病，具有较优综合性状的品种有11 个，有9 个品种的丰产性或早熟性较优；王佩芝等［11］通过对矮生、早熟、大粒、多荚、高蛋白、抗旱等不同豇豆品种的主要优异性状分析，筛选出204 份较好的豇豆资源；汪雁峰等［12］对1 192 份长豇豆种质资源进行考查，结果发现矮生直立性材料7 份、极早熟材料5 份，荚长超过70 cm的极长荚材料3 份、单荚重超过25 g的特重荚5 份，百粒重超过19 g的特大粒材料4 份；冯学杰等［13］对8 个豇豆新品种的生物学特性、农艺性状等进行比较，同时检测个可溶性糖、可溶性蛋白含量，分析各品种耐低温能力，结果表明综合性状性状最优的品种是华赣宝冠；詹园凤等［5］通过对15 份长豇豆的农艺性状、嫩荚干物质、维生素C、粗蛋白和16 种氨基酸含量等进行分析，筛选出适合海南设施大棚种植栽培的豇豆品种JD1101 和JD1025。张朝明等［14］开展6 个长豇豆品种比较试验，测定各品种双荚率、丰产性、荚纵径、单荚重和抗病性等13 个农艺性状，并采用相关分析、主成分分析和聚类分析法进行综合评价，筛选出桂豇一号、赣农超炫、超越708 等3 个较好的豇豆资源；陈琴等［15］对27 个不同品种长豇豆进行品种比较试验，对供试品种品质性状、农艺性状和市场需求综合分析筛选出丰乐、桂豇一号、翠宝二号等3 个较好的长豇豆种质资源。目前，种质资源评价主要通过农艺性状的调查比较进行，如王敏等［16］通过调查农艺性状鉴定与评价了87 份节瓜种质资源，并获得早熟节瓜种质20 份。然而，这种方法往往缺失不同种质材料间的亲缘关系及同一品种不同农艺性状间的相关性，因此，不少学者采用灰色关联或主成分聚类分析法对收集到的品种进行综合评价，如陈林等［17］采用主成分聚类分析法研究197 份黄瓜种质资源的多样性及不同种质间的相关性；马文清等［18］用灰色关联分析法评价10 个甘蔗品种13 个农艺性状，结果表明桂南亚08-212、桂南亚08-186、桂南亚08-320、桂南亚08-336、桂南亚08-353 品种优于对照品种。也有学者将灰色关联分析法与主成分聚类分析法结合起来，如兰孟焦等［19］对28 个地方甘薯品种9 个主要农艺性状作变异性、相关性、聚类和灰色关联分析，筛选出3 个优良品种。【本研究切入点】目前，结合灰色关联分析法与主成分聚类分析法共同综合评价豇豆种质资源的报道还较为鲜见。【拟解决的关键问题】以2019 年收集的37 份不同品种长荚豇豆为材料，采用主成分析、聚类分析和灰色关联分析对其主要农艺性状进行综合评价，筛选出适合海南冬春季节栽培的新品种，为长荚豇豆新品种的选育和种质资源的开发利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试37 份长荚豇豆种质资源于2019 年从全国各地征集而来，材料名称及来源见表1。

表1 37 份长荚豇豆种质资源名称及来源Table 1 Name and source of 37 long-podded cowpea germplasm resources

1.2 试验设计

试验在三亚市南繁科学技术研究院热带设施农业科技示范园进行。长荚豇豆播种时间为2019年11 月15 日，每穴播3～4 粒，保苗2 株，单垄双行种植，大行距80 cm、株间距25 cm，采用吊蔓立架栽培，每个品种面积20 m2，随机区组排列，3 次重复。按常规栽培技术进行田间管理。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 性状调查 在长荚豇豆采摘盛期，根据《豇豆种质资源描述规范和数据标准》［20］，调查豇豆第3 节间长、顶叶长宽比、茎粗、叶绿素含量、荚长、荚横径、单荚质量、叶柄长、花序长、嫩荚干物质含量等指标。其中，豇豆叶绿素含量采用手持式叶绿素仪（SPAD 502 Plus）测定。

1.3.2 分析方法 试验数据采用IBM SPSS Statistics 19.0 软件计算均值、标准差，并进行主成分分析和聚类分析，其中聚类分析根据种质资源间Euclidean 距离，用Ward’s 法进行聚类；采用Excel 2010 计算变异系数。

灰色关联分析方法，是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法。灰色关联分析法依据灰色系统理论把37 个长荚豇豆种质资源的11 个性状指标组成一个灰色系统，每个种质资源作为系统中的一个因素，并设一个各主要性状最优值作为一个理想的“参考种质资源”为χ0。参试的37 份长荚豇豆种质资源各项性状指标χi（i=1,2,3…，37），且χ0={χ0（1），χ0（2），…，χ0（n）}，χi＝{χi（1），χi（2），…，χi（n）}，其中n 为评判的性状数，即n=11。同时，参照许如意等［21］方法计算各种质资源与参考种质资源间的关联系数、等权关联度和加权关联度。

式中，Δi（k）=|x0（k）-xi（k）|，为x0数列与xi数列在第k点的绝对值；min ∆i(k)称为二级最小差，其maxΔi（k）是二级最大差，意义与二级最小差相似；ρ为分辨系数，通常取值0.5，wk为各关联系数的权重。

2 结果与分析

2.1 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状比较

由表2 可知，37 份长荚豇豆种质资源第3 节间长、顶叶长宽比、茎粗、叶绿素含量、荚长、荚横径、单荚质量、叶柄长、花序长、嫩荚干物质含量、每667 m2产量等农艺性状均值分别为13.13 cm、1.75、4.82 mm、62.90 SPAD、52.58 cm、7.01 mm、18.98 g、8.66 cm、33.06 cm、10.47%、1 476.51 kg，各性状间最大值与最小值跨度差异较大，即变异系数大，说明该性状仍有较大的可优化空间。一般情况下，变异系数大于10%表明该性状具有较大的可改良性。37 份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状的变异系数范围在7.99%～42.02%，表现为第3 节间长＞叶柄长＞花序长＞单荚质量＞茎粗＞产量＞嫩荚干物质含量＞顶叶长宽比值＞叶绿素含量＞10%＞荚长＞荚横径。其中，第3 节间长变异系数最大、为42.02%，表明这个农艺性状个体间差异最大，具有最高的可筛选性；荚横径变异系数最小、为7.99%，表明这个农艺性状较稳定。

表2 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状比较Table 2 Comparison of agronomic traits of 37 long-podded cowpeas germplasm resources

2.2 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状的主成分分析

以37 份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状为基础，计算各主成分的特征向量、特征值和贡献百分率（表3）。通过主成分析可以将37 份长荚豇豆种质资源的11 个农艺性状转化为6 个主成分，这6 个主成分可以代表37 份长荚豇豆种质资源的11 个农艺性状。其中，第1 个主成分特征值为2.74，累计贡献率为24.88%，以第3 节间长、荚横径和单荚质量为主要指标，特征向量分别为0.85、0.78、0.70，主要反映的是豆荚相关因子；第2 个主成分特征值为2.02，累计贡献率为43.24%，主要以荚长、单荚质量、叶柄长为主要指标，特征向量分别为0.74、0.60、0.75，主要反映的是豆荚相关因子；第3 个主成分特征值为1.50，累计贡献率为56.91%，以花序长、产量为主要指标，特征向量分别为-0.73、0.61，主要反映的是产量相关因子；第4 个主成分特征值为1.33，累计贡献率为68.97%；第5 个主成分特征值为1.19，累计贡献率为79.81%；第6 个主成分特征值为0.81，累计贡献率为87.17%。

表3 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状的主成分分析Table 3 Principal component analysis of agronomic traits of 37 long-podded cowpea germplasm resources

由37 份长荚豇豆种质资源主成分综合得分结果（表4）可知，综合排名前10的品种有2（和顺）、5（瑞祥贵）、9（南滨708-K）、10（情满中华）、11（将军708）、18（吉丰608）、21（鸿丰708）、22（赚钱王168）、30（汉美七号）、31（汉美八号），得分最高的为31号（汉美八号2 546.7458 分）。

表4 37 份长荚豇豆种质资源主成分得分及排名Table 4 Score and ranking of principle components of 37 long-podded cowpea germplasm resources

2.3 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状的相关性分析

由表5 可知，第3 节间长与茎粗呈极显著负相关，相关系数为-0.559，与单荚质量、花序长呈显著正相关，相关系数为0.387、0.375，与荚横茎、产量呈极显著正相关，相关系数分别为0.557、0.452；不同长荚豇豆种质间顶叶长宽比值无显著差异；茎粗与叶炳长呈极显著正相关，相关系数为0.441，与其他农艺性状无显著相关性；荚长与单荚质量呈极显著正相关，相关系数为0.755；荚横茎与单荚质量呈极显著正相关，相关系数为0.531，与花序长呈显著正相关，相关系数为0.401；嫩荚干物质含量与其他农艺性状之间无显著相关性。

表5 37 份长荚豇豆品种资源11 个农艺性状的相关性分析Table 5 Correlation analysis of 11 agronomic traits of 37 long-podded cowpea germplasm resources

2.4 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状的聚类分析

由图1、表6 可知，在遗传距离为10 时，37份长荚豇豆种质资源可分为3 个大类，品种编号为1（穗丰7号）、3（富贵）、5（瑞祥贵）、6（美美满满）、7（星光大道）、8（万事大吉）、10（情满中华）、11（将军708）、12（吉运天神）、14（龙翔长剑）、15（龙优888）、16（画好月圆）、17（翠深似海）、18（吉丰608）、19（F-1815）、20（丰盛706）、22（赚钱我168）、23（财神爷）、24（美星长豇）、25（柳豇8号）、26（柳豇18-7）、27（春兰秋菊）、30（汉美七号）、32（大富豪）、33（一代天骄）、35（鸿运608）、36（珍翠4号）、37（珍翠6号）的28 个种植资源聚为Ⅰ类，该类长荚豇豆叶绿素含量低、叶柄长、豆荚长、单荚质量大、产量一般，但嫩荚干物质含量高，可作为豇豆干货制作备选品种种植；品种编号为4（齐丰油白豆角）、13（南海神龙）、28（汉美五号）、29（汉美六号）、34（天龙八号）的5 个种质资源聚为Ⅱ类，该类长荚豇豆顶叶长宽比小、豆荚短、荚横茎细、单荚质量小、花序长、产量低，不适合在海南种植；品种编号为2（和顺）、9（南滨708-K）、21（鸿丰708）、31（汉美八号）的4 个种质资源聚为Ⅲ类，该类长荚豇豆叶绿素含量高、单荚质量大、豆荚长、荚横径粗、产量高，该类长荚豇豆比第Ⅰ、第Ⅱ类具有较明显优势，适合在海南三亚地区推广种植。

表6 37 份长荚豇豆种质资源不同类群11 个农艺性状基本情况Table 6 Basic information of 11 agronomic traits among different clusters of 37 long-podded cowpea germplasm resources

图1 37 份长荚豇豆种质资源农艺性状的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 37 long-podded cowpea germplasm resources based on agronomic traits

2.5 37 份长荚豇豆种质资源灰色关联分析

2.5.1 37 份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状无量纲化处理 将37 份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状根据参考种质资源X0农艺性状进行初值化处理，初值化以χ1～χ37的相应性状被χ0除，因此初值化以χ0除以χ1～χ37的相应性状，得出37 份长荚豇豆种质资源农艺性状无纲化处理结果（表7），其中K1～K10 数值越大则品种越优，K11 数值越小则品种越优。由表7 可知，不同长荚豇豆种质资源的最优农艺性状并不相同，K1 最优的品种为31号（汉美八号，r=0.8502），K2 最优的品种为32号（大富豪，r=0.9156），K3 最优的品种为4号（齐丰油白豆角，r=0.9815），K4 最优的品种为3号（富贵，r=0.9861），K5 最优的品种为33号（一代天骄，r=0.9824），K6 最优的品种为3号（富贵，r=0.9685），K7 最优的品种为30号（汉美七号，r=0.9750），K8 最优的品种为4号（齐丰油白豆角，r=0.9636），K9 最优的品种为17号（翠深似海，r=0.9784），K10 最优的品种为17号（翠深似海，r=0.9516），K11 最小值为36号（珍翠4号，r=0.2830）。因此，在杂交育种过程中，可根据该结果针对性选择不同优良性状的材料进行杂交，以获取最优搭配。

表7 37 份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状无量纲化处理结果Table 7 Nondimensionalization result of 11 agronomic traits of 37 long-podded cowpea germplasm resources

2.5.2 37 份长荚豇豆种质资源关联系数 通过公式可求得37 份长荚豇豆种质资源（xi）与参考种质资源（X0）各性状的关联系数，关联系数结果见表8。结果表明K1 关联度最大为2号（和顺，r=0.6878），K2 最关联度最大为24号（美星长豇，r=0.8151），K3 关联度最大为4号（齐丰油白豆角，r=0.9879），K4 关联度最大为3号（富贵，r=1.0001），K5 关联度最大为33号（一代天骄，r=0.9903），K6 关联度最大为3号（富贵，r=0.9550），K7 关联度最大为29号（汉美六号，r=0.9201），K8 关联度最大为4号（齐丰油白豆角，r=0.9431），K9 关联度最大为17号（翠深似海，r=0.9798），K10 关联度最大为17号（翠深似海，r=0.9140），K11 关联度最大为36号（珍翠4号，r=0.3463）。在实际评估过程中由于每个品种的农艺性状的重要程度不同，将人为赋予不同的权重系数（wk）。产量是豇豆最重要的性状指标，因此赋予权重系数最大、为0.35；单荚质量、荚长、荚横茎是豇豆产量的主要构成因子，因此赋予权重系数也较大，分别为0.25、0.15、0.10。

表8 37 份长荚豇豆种质资源与参考种质资源11 个农艺性状的关联系数Table 8 Correlation coefficient of 11 agronomic traits between the reference and 37 long-podded cowpea germplasm resources

2.5.3 关联度分析 根据表8 数据，计算参试种质资源与参考种质资源的等权关联系数及赋权后的加权关联度，并根据其关联度大小进行排序，排序越靠前的品种，综合性状越优。由表9 可知，不同豇豆品种等权关联度最大的为4号（齐丰油白豆角），关联度为0.7059，其综合性状最佳；加权关联度最大的品种为2号（和顺），关联度为0.7285。经加权关联排序后，未发生变化的品种有3 个，上升的品种有19 个，下降的品种有15 个。

表9 37 份长荚豇豆种质资源与参考种质资源的关联度及排序Table 9 Correlation and ranking of the reference and 37 long-podded cowpea germplasm resources

3 讨论

通过调查37 份长荚豇豆的11 个农艺性状，分析不同来源长荚豇豆品种间的差异性，筛选出适合海南种植的新品种，为长荚豇豆新品种选育提供理论依据。不同长荚豇豆品种间存在遗传差异，同时也具有相似性。一般情况下，变异系数大于10%，说明该性状在品种间个体差异较大［22-23］。本研究结果表明，不同长荚豇豆各农艺性状间的变异系数差异较大、多数大于10%，也表明37 份长荚豇豆品种具有非常高的可改良性。李玉发等［24］也认为，在品种选育上首先对变异系数大的性状进行选择，比较容易获得优良品种［24］。变异系数和农艺性状分析结果为选育和品种改良提供了新方向，也为今后长荚豇豆的创新与开发提供了理论依据。本研究结果表明，除荚长、荚横径变异系数低于10%外，其他9 个农艺性状的变异系数均高于10%，这与黄伟康等［25］的研究结果相似，单荚质量、产量等指标变异系数较大。

主成分分析是通过降维将信息浓缩的一种方法，经过降维处理将多个互相关联的数值转化成少数几个互不相关的综合指标，该综合指标可以代表原始数据大部分信息的新变量。黄海涛等［26］利用主成分分析法将50 个豇豆品种的5 个形态指标和13 个生理指标转化为7 个主成分，可反映50 个豇豆品种的86.81%原始信息。本研究对37份长荚豇豆种质资源11 个农艺性状进行主成分分析和聚类分析，结果表明，特征值前6 个主成分反映了总信息量的87.17%，能较好地代替11 个农艺性状来评价长荚豇豆。为了解长荚豇豆种质资源遗传差异和亲缘关系，通过聚类分析表明，在欧氏距离为10 时，可以将37 份长荚豇豆分为3 大类：Ⅰ类豇豆豆荚较长，单荚质量较大，但产量不高，该类豇豆可作为备选种植品种；Ⅱ类豇豆单荚质量小、豆荚短、产量低，不适合在海南种植；Ⅲ类豇豆豆荚较长、产量高，可作为海南优先种植品种。通过聚类对豇豆种质资源归类有很大参考价值，为进一步开展豇豆主要农艺性状与产量的数量关系研究提供指导。张忠武等［27］也通过聚类分析法，将41 份长荚豇豆品种分为3类。本研究中，3 个类群内品种差异较小，3 个类群间的品种差异较大。以数量性状作为育种目标时，这种聚类分析法对豇豆新品种选育有极大推动作用。在杂交选配亲本时，应根据遗传距离大小尽量不选用同一类亲本进行杂交，而是利用主要农艺性状的优势互补性进行品种间配组。例如，可以将Ⅰ类节间短、产量低的品种与Ⅲ类产量高、节间长的品种进行杂交，可能选育出节间短、产量高、豆荚长的优质豇豆；也可以利用豇豆不同性状间的相关性进行选育，如与产量显著相关的性状为第3 节间长，则在田间初步选育时，可通过测量第3 节间长初步评判该品种的产量。本研究显示，单荚质量与荚长、荚横径呈显著正相关，这与张朝明等［14］“单荚质量与荚横径显著正相关”的结论基本相同；本研究表明产量与节间长呈显著正相关，这与刘明骞等“剑豆产量与节间距离显著正相关”的结论［28］相同。

灰色关联分析法是对一个发展变化系统进行动态比较的分析方法，不同条件可能造成产量主要性状产生变化［29-30］。众多研究者利用灰色关联分析法研究、筛选优良品种，如陈连珠等［31］利用该方法筛选秋葵品种，许如意等［21］利用该方法筛选豇豆品种。本研究也利用灰色关联分析法筛选出最优品种为2号（和顺）。

随着农业科技的飞速发展，现代农业对农作物新品种的要求已不再局限于某个性状或几个性状，而是对品种多个性状的综合要求。本文通过灰色关联分析与主成分分析两种分析法对豇豆品种进行评价，通过主成分分析可知综合排名前10的种质资源有2（和顺）、5（瑞祥贵）、9（南滨708-K）、10（情满中华）、11（将军708）、18（吉丰608）、21（鸿丰708）、22（赚钱王168）、30（汉美七号）、31（汉美八号）；通过灰色关联分析法得出排名前10的种质资源有2（和顺）、3（富贵）、5（瑞祥贵）、9（南滨708-K）、11（将军708）、29（汉美六号）、30（汉美七号）、31（汉美八号）、33（一代天骄）、37（珍翠6号）。通过以上两种方法获得品质较好的10 个种质资源中有6 个相同，相似度可达60%，即2（和顺）、5（瑞祥贵）、9（南滨708-K）、11（将军708）、30（汉美七号）、31（汉美八号），表明这两种方法均可对种质资源进行评价并筛选出优良品种。本研究结果与高小丽等［32］采用相关性与灰色关联分析综合评价豌豆的研究结果基本相同，可以结合两种方法对作物进行综合评价。本研究结果表明，运用以上两种评价方法可以更精确地筛选出优质豇豆品种，使后续试验更具针对性，筛选出的2号（和顺）与31号（汉美八号）品种排名均靠前，是值得推广的优良品种。

4 结论

利用主成分分析法得出37 份长荚豇豆品种各农艺性状间的变异系数差异大，具有非常高的可改良性。通过聚类分析表明，在欧氏距离为10时，可以将37 份长荚豇豆分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类：Ⅰ类豇豆品种28 个，该类品种豆荚较长、单荚质量较大，但产量不高，可作为备选种植品种；Ⅱ类豇豆品种5 个，该类品种单荚质量小、豆荚短、产量低，不适合在海南种植；Ⅲ类豇豆品种4 个，该类品种豆荚较长、产量高，可作为海南优先种植品种。运用灰色关联分析与主成分聚类分析评价豇豆品种的结果表明，两种方法得出的结果基本相同，均可用于豇豆新品种综合评价。