高粱F2群体株型性状的主成分分析和综合评价

张旷野,王佳旭,柯福来,张 飞,朱 凯,王艳秋

(辽宁省农业科学院高粱研究所,辽宁 沈阳 110161)

高粱起源于贫瘠的非洲大陆,作为 C4作物,具有光合效率高,增产潜力大的特点,且高粱用途广泛,兼具食用,饲用,酿造,能源,加工等多种用途[1]。高粱酿酒业是我国的传统产业,随着白酒新国标的颁布,我国对酿造高粱的需求将大大增加[2]。虽然经过多年的遗传改良,除个别地区外,高粱已经基本实现了矮秆化,但是目前高粱株型仍然存在许多问题,例如虽然植株高度降低,但是叶片数没有减少,且叶片肥大,叶面积分布不合理,导致群体郁闭,影响光合能力、通风性以及抗病能力,此外还存在柄伸长度过短,穗柄长度过长等影响机械化收获的问题,大大影响了高粱的生产水平和农民的种植意愿。因此,急需培育株型合理、高产、优质且适宜机械化的突破性新品种[3~6]。

主成分分析可以通过将多个农艺性状降维后分析特征表现,进而分析各因素的重要性。目前,主成分分析已经被广泛的应用到作物的抗病性、株型、逆境耐受性以及引种的评价研究中。例如,俞华先等(2021)利用主成分分析的综合评价方法对云南甘蔗细茎野生种F2群体中45个家系进行了主要农艺性状的评价,从中筛选出7个优良种质用于后续的育种工作[7]。郗小倩等(2022)对10个玉米品种的综合抗病性进行综合评价,结果表明,太育184的综合抗性最高[8]。在高粱株型方面,赵欣蕊等(2022)对来自国内不同地区的371份国内高粱种质资源的株型性状进行综合评价,发现选103、京选1号、44F和714R等30个优异种质资源[9]。乔婧等(2019)对20份利用高粱的株型、穗型和产量等相关性状进行了主成分和相关性分析,明确了不同性状间的关联性和重要程度[10]。在高粱中,主成分分析方法的应用比较广泛的另一个研究方向是耐盐性的鉴定,已筛选出一批耐盐性优异的种质资源品系(品种)[11~16],为高粱的耐盐育种提供了重要的理论依据。

本研究对以优良恢复系7037和矮四为亲本构建的高粱F2群体为试材,通过主成分分析和聚类分析对7个株型相关性状(叶面积,叶片数,株高,穗长,柄伸长度,穗柄长度以及第一到第二叶距离)进行综合评价,旨在为高粱理想株型品种的选育提供理论依据和材料基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为以高粱骨干恢复系7037和矮四为亲本构建的F2群体。于2019年通过对两个亲本进行去雄杂交获得F1代种子后。F1代经过自交繁种获得F2代群体种子。F2群体包含单株约1 000株,从中筛选出 81个株型优异或极端的家系做为主要分析对象。

1.2 田间种植方式

2021年5 月于辽宁省农业科学院试验田(123.56°E,41.82°N)种植两亲本及 F2分离群体,四行区,行距0.6 m,株距0.2 m,小区种植面积2.4 m2,双亲各 3次重复。当地2021年5~10月平均气温为19.15℃,活动积温为3 423.5℃,有效积温为 1 743.5℃,总降雨量为560.4 mm,总日照时数为1 050 h。前茬作物为野生大豆。土壤类型为沙壤土。常规栽培管理。

1.3 性状调查方法

于灌浆期开始调查F2分离群体的叶面积(Leaf Area,LA),全株叶片数(Number of leaves,LN),株高(Plant Heigth,PH),穗长(Spike Length,SL),柄伸长度(Exsertion Length,EL),穗柄长度(Peduncle Length,PL)和第一到第二叶距离(First leaf to Second leaf Length,FtSL)。各性状的详细调查方法如下:

叶面积:用直尺分别测量全株叶片的叶长,叶宽(叶片最宽处宽度),通过计算得到叶面积(叶面积=叶宽×叶长×0.75[17]),并将全株叶片的叶面积平均值做为该家系的叶面积表型值。

全株叶片数:分别在五叶期,八叶期,大喇叭口期以及抽穗期用红色油漆对第五,第八,第十二叶和第十六片叶进行标记,统计叶片数。

株高和穗长:利用塔尺分别测量穗顶到地表,穗基部的长度。

柄伸长度,穗柄长度:利用直尺分别测量穗基部到旗叶基部和上数第一节间的长度。

第一到第二叶距离:利用直尺测量旗叶基部到上数第二叶基部的长度。

1.4 统计分析

利用Excel软件对株型相关性状的表型值进行基础的整理,利用SPSS 24软件进行基础分析、相关性分析(相关系数:皮尔逊;显著性检验:双尾检验),主成分分析和聚类分析等,利用GraphPad Prism 8软件绘制表型小提琴图和相关性热图。

2 结果分析

2.1 F 2群体的株型性状表现

两亲本F2分离群体的株型性状表现如图1所示,由图1可知两亲本7037和矮四的叶面积平均值分别为455.6 cm2和527.8 cm2,F2群体的叶面积平均数介于两亲本之间,为522.8 cm2,表现为不完全显性,变异系数分别为12.9%。叶片数方面,7037和矮四的叶片数分别为19和16.5,F2群体的叶片数平均值为20.3,表现出一定的超亲优势,亲本和群体的变异系数均较小。两亲本的株高为181.6 cm(7037)和140.9 cm(矮四),群体株高平均数为163.5 cm,表现为中亲优势,两亲本的变异系数较小,群体株高的变异系数略大于两亲本,为15.4%。穗长、柄伸长度和第一到第二叶距离三个性状的群体平均值均同样介于两亲本之间,均表现为不完全显性。穗柄长度方面,7037和矮四分别为24.6 cm和20.9 cm,群体穗柄长度存在超高亲遗传现象,为25.1 cm。由以上结果可看出,F2群体中7个株型相关性状的变异广泛、丰富,群体内各家系间存在差异性,存在可以利用的株型优势家系。

图1 双亲及F 2群体的株型性状表现

2.2 分离群体株型性状相关性分析

F2群体中叶面积与穗长之间存在显著的正相关关系(r=0.220,p=0.048),与柄伸长度和穗柄长度之间均存在极显著的负相关关系,相关系数分别为~0.381(p=0)和~0.387(p=0);第一到第二叶距离与叶片数、株高和穗柄长度间存在显著或极显著的正相关关系,相关系数分别为 0.275(p=0.013),0.535(p=0)和 0.687(p=0);穗柄长度与株高和柄伸长度间均存在极显著的正相关关系,相关系数分别为0.591(p=0)和0.748(p=0);柄伸长度与叶片数间存在显著的负相关关系(r=-0.225,p=0.043),与株高存在极显著的正相关关系(r=0.325,p=0.003);另外株高与叶片数和穗长间,均存在极显著的正相关关系,相关系数分别为0.288(p=0.009)和0.286(p=0.010)。由以上结果可以发现,F2群体中株型相关形状间的相关性结果复杂,不利于直接进行评价,为了降低评价的重叠性和提高评价准确性和评价效率,有必要对其进行主成分分析。

图2 F 2群体株型性状间的相关性分析

2.3 主成分分析

对F2群体的株型相关性状进行主成分分析,特征值、特征向量、因子方差贡献率和因子方差累计贡献率结果如表1所示。根据因子累计方差贡献率大于85%的原则[18~19],选取前4个因子作为株型性状的公共因子,4个公共因子累计贡献率为86.9%。其中第一个公共因子特征值为2.722,贡献率为 38.9%,主要反映穗柄长度、株高、第1到第 2叶距离和柄伸长度,特征向量分别为0.576,0.464,0.428和 0.400,称其为株高因子。第 2个公共因子特征值为1.653,贡献率为23.6%,主要反应叶片数、穗长和柄伸长度,特征向量分别为0.518,0.504和-0.436,称其为适宜机械化因子,第3个公共因子特征值为0.974,贡献率为13.9%,主要反应穗长(0.627)、叶片数(-0.534)和叶面积(0.389),称其为光合能力因子。第4个公共因子的特征值为0.734,贡献率为 10.5%,主要反应叶面积(0.593),称其为叶面积因子。

表1 F 2群体株型性状主成分分析结果

利用公共因子特征向量除以相应的特征值得到各公共因子得分系数矩阵,结果如表2所示,根据公共因子得分矩阵,得到F2群体的4个公共因子的得分线性方程为:

表2 得分矩阵

S1=-0.116X1+0.038X2+0.170X3+0.003X4+0.147X5+0.211X6+0.157X7

S2=0.181X1+0.313X2+0.179X3+0.305X4-0.264X5-0.065X6+0.191X7

S3=0.400X1-0.549X2+0.172X3+0.644X4+0.316X5+0.098X6-0.199X7

S4=0.807X1-0.439X2-0.194X3-0.522X4-0.247X5+0.310X6+0.737X7

其中S1~S4代表公共因子Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ得分,X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分别表示叶面积、叶片数、株高、穗长、柄伸长度、穗柄长度以及第一到第二叶距离的表型值。

2.4 高粱株型性状综合评价

利用线性方程计算F2群体的主成分得分,并以各公共因子的贡献率维权重,建立F2群体的各家系株型性状综合得分数学模型如下:

St=0.389S1+0.236S2+0.139S3+0.105S4

综合得分前10%的家系的公共因子得分和综合得分如表3所示。表中8个家系的综合得分较高,株型性状总体来看较为优异,8个家系的平均叶面积、叶片数、株高、穗长、柄伸长度、穗柄长度和第一到第二叶距离分别为612.9 cm2,20.9,172.1 cm,26.5 cm,4.1 cm,25.9 cm和21.8 cm。其中家系32的综合得分最高,为117.3,第Ⅰ到第Ⅳ公共因子得分分别为-36.5,164.8,294.5和492.0。其次依次为家系1、家系50、家系78和家系54。

表3 F 2群体部分家系主成分得分和综合得分

2.5 聚类分析

对82份高粱F2家系的4个加权后的公共因子进行数据标准化处理后,采用组间连接方法进行聚类分析,当平方欧式距离在9时可以将82份材料为3个类群,结果如图3所示。其中类群 I、II和III分别包含35、39和7个家系。

图3 82份品系的聚类分析

3个类群中家系各株型相关性状的平均值如表4所示。

表4 不同类群株型相关性性状平均值

3个类群在叶片数、株高和第一到第二叶距离方面没有显著性差异。但是在叶面积方面,3个类群的差异显著,其中类群Ⅱ的叶面积最大,为578.58 cm2,其次为类群Ⅰ(488.70 cm2),类群Ⅲ的叶面积最小(382.45 cm2)。穗长方面,3个类群从大到小依次为类群Ⅱ(24.54 cm)、类群Ⅰ(23.49 cm)和类群Ⅲ(21.14 cm),其中类群Ⅱ显著大于类群Ⅲ,类群Ⅰ的穗长与其他两个类群没有显著性差异。柄伸长度和穗柄长度的规律相符,均为类群Ⅲ最大,类群Ⅰ次之,类群Ⅱ最小,其中类群Ⅲ的柄伸长度和穗柄长度显著高于类群Ⅱ,但是类群Ⅰ的柄伸长度和穗柄长度与其他两个类群间均没有显著性差异。

综上所述,在叶片数、株高和第一到第二叶距离方面相似的情况下,类群Ⅰ叶面积、穗长、柄伸长度和穗柄长度均适中,株型较为优异,是以后进行理想株型育种的重要备选材料;类群Ⅱ存在叶面积较大、柄伸长度和穗柄长度较小等影响机械化作业的问题,但是由于其穗长较长,产量潜力相对较高,且虽然类群Ⅱ的株型较差,但类群Ⅱ中的部分极端材料仍然是以后重要株型性状相关基因发掘工作中的材料来源;类群Ⅲ中的7个份材料的叶面积较小,柄伸长度和穗柄长度较大,虽然有利于机械化收获,但是其产量潜力相对较低,所以在以后的株型育种中可以做为性状改良的重要来源。

3 结论与讨论

群体遗传多样性是高粱遗传育种的重要基础,在育种事件中通过去雄杂交构建分离群体,从中筛选优良单株进行纯化,是高粱创制新品系的重要方法之一,其最终目的是产生含有各种变异类型的杂种后代群体,而对变异类型的识别和选择是最后育成符合育种目标新品种的关键[21]。但是,高粱株型育种中,往往需要兼顾许多性状,在F2代鉴定时需要投入大量的人工和时间[22~23],而由于经验和选择标准的差异,在选择的过程中通常达不到理想的效果。所以对F2分离群体的株型性状进行综合分析和评价,在高粱株型育种实践中具有非常重要的指导意义[24]。而通过主成分分析方法,能够较为全面且综合的了解高粱株型性状的主成分构成及其特征和生物学意义,提高筛选优异株型品系的准确性,减少田间工作量,加快工作效率[25]。

高粱株型性状多为复杂的数量性状,且根据育种经验,往往不同株型性状多存在紧密的遗传连锁关系,基于以上问题,本文通过表型分析、综合评价以及聚类分析等方法对以恢复系7037和矮四为亲本构建的高粱F2分离群体的株型进行综合评价,发现F2群体中7个株型性状的变异丰富,且性状间相关关系复杂,不同性状间可能存在复杂的遗传连锁关系,这导致对单一性状的改良将极大可能影响其他性状,故而通过因子降维和主成分分析等手段,将7个株型相关性状分解为株高因子、适宜机械化因子、光合能力因子、叶面积因子4个主成分,避免了原始性状变量间的多重线性关系,大大提高了株型评价筛选的准确性和效率。4个公共因子中,第一公共因子为株高因子,贡献率为38.9%,说明株高因子为株型的最重要影响因素,在以后的株型育种工作中应该首先考虑后代品系的株高因子,与赵欣蕊等的研究结果相符[9]。在本研究中的株高因子不仅包括单纯的株高性状,还包括柄伸长度、穗柄长度以及第一到第二叶距离等3个指标,这3个指标同样是高粱理想株型的主要组成,长柄伸有利于机械化收获的整齐性,减少收获过程中的籽粒损耗,同时也利于穗部的受光姿态和空气交流,降低穗部湿度,减少穗部霉病的发生,从而增加籽粒的充实度及千粒重[26~28]。另外F2群体中各家系晋代为后续的育种纯系也往往需要大量的人力,物力和时间成本,所以为了加快选择进程,以加权后主成分得分为决定因子对82份F2代家系进行聚类分析,得到在以后株型育种中潜力较高的家系35份,做为后续的重点关注对象。该研究为高粱的理想株型育种提供了理论依据,并为株型突破性新品种的选育提供了重要的材料基础。