主成分分析和隶属函数法对早熟棉F1代材料的综合评价

邓艳凤, 肖水平, 刘新稳, 杨绍群, 杨 秀, 王 涛

(江西省棉花研究所/国家棉花产业技术体系鄱阳湖综合试验站，江西 九江 332105)

棉花是我国主要的经济作物之一，不仅是纺织工业的主要原料，在国防、医药、汽车工业等方面也具有重要的作用。随着我国经济的发展，消费者对纺织品的质量要求越来越高，但由于农业产业结构的调整以及棉花品种的退化，我国棉花种植面积逐年下降[1-2]。因此，培育高产、优质、早熟、抗病、抗虫及适应机械化的优良品种已成为未来棉花育种的目标[3-5]。

杂种优势利用是发掘农作物生产潜力最有效的育种方法之一[6]。利用杂种优势选育棉花杂交种不仅可以提高产量、改善纤维品质、增强抗逆性，还能缩短育种周期[7]。陆地棉种内杂种有显著的中亲优势[8]，可将早熟、高产、优质和抗病等特征整合到F1代中，体现杂种优势和超标优势[9]。张正圣等[10]研究了陆地棉高强纤维品系和Bt基因抗虫棉的配合力与杂种优势发现，陆地棉F1代的籽棉、皮棉产量和单位面积铃数都具有明显的中亲和超亲优势，棉纤维品质性状有较高的超标优势；邢朝柱等[11]研究发现，利用棉花杂种优势能够大幅度提高纤维产量，改善纤维品质和增强抗病虫等逆境能力；刘艳改等[12]研究表明，杂种F1代皮棉产量和籽棉产量的优势最大, 铃重的优势较大, 衣分次之, 纤维品质性状介于亲本之间, 略高于中亲值。因此，选择最优亲本对陆地棉杂交种的选育至关重要。本研究采用主成分分析和隶属函数法比较22份早熟棉F1代材料的主要农艺性状，以期筛选出早熟、高产、优质的杂交组合，为早熟杂交棉的选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为江西省棉花研究所早熟课题组于2018年通过人工杂交获得的22个早熟棉F1代杂交组合(表1)。试验于2019—2020年在江西省棉花研究所试验田进行，采用营养钵育苗移栽法种植，每年4月中旬在大棚内育苗，5月上旬移栽到大田。各小区长10.0 m，宽1.5 m，双行区，行距0.8 m、株距0.2 m，随机区组设计，3次重复。

表1 22份参试早熟棉F1代材料

1.2 测定指标及方法

分别于2019年、2020年7月15日，调查22份材料的12个主要农艺性状。每小区分别选取10株长势正常的棉花，测量株高并统计单株果枝数和成铃数。收花期在棉株中部内围采收100个正常开裂的棉铃，晒干后室内考种，测定单铃重和衣分，并选取20 g纤维样品寄送至中国农业科学院棉花研究所农业农村部棉花品质监督检验测试中心(安阳)检测棉纤维。

1.3 统计与分析

试验数据经Excel 2007初步整理，利用SAS V8进行平均值、标准差、CV等统计量的计算以及主成分分析。为确保主成分得分越高的材料综合性状越好，分析前将原始数据进行转换。基于早熟、矮化、高产和优质的育种目标，以生育期和株高为逆向指标，采用原数据倒数值转换；果枝数、结铃数、衣分、单铃重、纤维长度、断裂比强度和籽棉产量均为正指标，采用原数据值；马克隆值为适度指标，按公式(1)进行转化(马克隆值A级取值范围为3.7～4.2,取3.95为适度值[13])。

(1)

隶属函数值参照王婷婷等[14]的方法计算。当该性状为正相关时采用公式(2)进行计算，负相关时则采用公式(3)进行计算。

Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(2)

Zij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)

(3)

式中，Zij为i品系j性状的隶属函数值；Xij为i品系j性状的测定值，Xjmin和Xjmax分别为j性状的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 早熟棉F1代材料主要性状的变异分析

对22份早熟棉F1代材料的12个主要农艺性状进行遗传变异分析，结果见表2。12个主要性状变异系数(CV)在0.94%～12.14%之间，变异幅度较大。其中，CV最大的为籽棉产量(12.14%)，变异幅度在3 150.00～5 280.00 kg·hm-2之间；CV最小的为整齐度指数(0.94%)，变异幅度在84.7%～87.8%之间；其他性状的CV从大到小依次为：铃重(11.15%)>株高(9.81%)>果枝数(8.13%)>结铃数(7.07%)>衣分(7.05%)>马克隆值(6.64%)>断裂比强度(5.72%)>伸长率(4.45%)>纤维长度(3.38%)>生育期(2.15%)。一般情况下，CV>10%表示样本间差异较大[15]，本试验中籽棉产量和铃重的CV均>10%，表明这22份F1代材料在产量和铃重方面差异较大，有利于高产杂交组合的比较和筛选。

表2 早熟棉F1代材料农艺性状的变异情况

2.2 早熟棉F1代材料主要性状的主成分分析

对22份早熟棉F1代材料的12个主要性状进行主成分分析，结果见表3。前5个主成分的特征值>1，且累计贡献率达79.20%，包含了主要农艺性状的绝大部分信息，因此选取前5个主成分进行分析。由表3、表4可知，第1主成分的特征值为3.33，贡献率为27.72%；纤维长度(0.49)和成铃数(0.42)在第1主成分上的荷载较高，说明第1主成分主要由纤维长度和成铃数决定。第2主成分的特征值为1.92，贡献率为16.03%；断裂比强度(0.46)、生育期(0.46)和衣分(-0.46)在第2主成分上的荷载较高，说明第2主成分主要由断裂比强度、生育期和衣分决定。第3主成分的特征值为1.82，贡献率为15.16%；果枝数(-0.64)和铃重(0.57)在第3主成分上的荷载较高，说明第3主成分主要由果枝数和铃重决定。第4主成分的特征值为1.32，贡献率为11.00%；籽棉产量(0.62)和伸长率(0.41)在第4主成分上的荷载较高，说明第4主成分主要由籽棉产量和伸长率决定。第5主成分的特征值为1.11，贡献率为9.28%；马克隆值(-0.55)和伸长率(0.51)在第5主成分上的荷载较高，说明第5主成分主要由马克隆值和伸长率决定。

表3 早熟棉F1代材料主成分分析的特征值及贡献率

参考文献[16]，根据主成分得分计算22份材料间的综合得分(表5)，其中得分较高的前10份材料依次为：7、5、10、3、19、11、1、22、4和8号。

2.3 早熟棉F1代材料隶属函数法评价结果

采用模糊数学中的隶属函数法对22份早熟棉F1代材料主要农艺性状进行评价及鉴定，以提高评价结果的客观性和准确性。根据育种目标及各农艺性状的特性，以生育期和株高为负相关指标；果枝数、成铃数、衣分、铃重、纤维长度、断裂比强度、整齐度指数、伸长率和籽棉产量为正相关指标；由于所有材料的马克隆值均高于3.95，因此将马克隆值作为负相关指标，分别计算每份材料各性状的隶属函数值以及平均隶属函数值(表6)。22份早熟棉F1代材料中平均隶属函数值前十的编号依次为：7、5、19、10、3、18、22、20、1和11号。

表6 早熟棉F1代材料农艺性状的隶属函数值

3 讨论与结论

CV反映了某一性状遗传可塑性的不同。在群体内，材料间性状的CV越大表明这些材料在该性状上的创新贡献率越高[17-18]。马肖等[19]对岱字棉来源的147份陆地棉种质资源的12个主要农艺性状进行变异性分析发现，单株成铃数CV最大(25.099%)，且第一果枝节位、第一果枝高度、单铃重、果枝数的CV均>10%，大部分性状的CV在5%以上。马晓梅等[20]对新疆128个早熟陆地棉参试品种(系)的5个主要株型及产量性状调查发现，5个性状的CV依次为：单株结铃数>单位面积籽棉产量>果枝始节位>单株果枝数>株高。本试验对22份早熟棉F1代材料的12个农艺性状进行遗传变异分析发现，8个性状的CV在5%以上，这与马肖等[19]的部分研究结果相似，但仅2个性状的CV在10%以上，可能由于早熟棉杂交组合F1代具有一定的杂种优势且参试材料较少，导致材料间的性状差异较小。

主成分分析是将多个复杂的原始指标转化为几个互不相关且具有代表性的综合指标，再通过提取主要因子计算综合得分，能够较客观地筛选优良种质[21]。本研究为确保综合得分越高的材料综合性状越好，分析前按照数值越大越好的原则，将原始数据进行转换。结果表明，22个早熟棉F1代材料的12个性状指标可以集中在前5个主成分上，累计贡献率达79.20%，反应了大部分遗传变异信息。根据各材料间的主成分综合得分筛选出5份综合性状优良的F1代材料：7、5、10、3和19号。

隶属函数法是对多个指标的综合分析，可以避免单一指标的片面性，提高优异种质筛选的准确性。王燕等[22]利用隶属函数法对12份马铃薯材料进行抗寒性综合评价，筛选出极高抗寒性材料1份，强抗寒性材料2份。郑强卿等[23]利用隶属函数法对不同产地酸枣的种子性状进行综合评价，共筛选出种子特征优良的3种酸枣类型。本试验根据育种目标及各农艺性状的特性，将生育期、株高和马克隆值设为负相关指标，其余为正相关指标，以确保平均隶属函数值越高的材料综合性状越优。根据材料的隶属函数综合得分，共筛选出5份综合性状优良的F1代材料：7、5、19、10和3号。

综上所述，通过主成分分析和隶属函数法对22个杂交组合F1代材料的12个主要农艺性状分析发现，7、5、10、3和19号综合表现最优，可作为强优势组合进行杂交种的配制，用于参加第2年的杂交种比较试验。