基于主成分分析和聚类分析的大白菜耐抽薹种质资源评价

肖艳　张倩倩　原让花　常怀成　王晓玲　原静云　徐世静　刘学圣

摘    要：為了促进大白菜优良品种的选育，对50份合抱型大白菜种质资源的开展度、株高、毛质量等10个农艺性状进行了变异分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析。结果表明，中心柱纵径的变异系数为45.39%，净质量变异系数为29.88%，球叶数变异系数为28.71%，表明这50份大白菜种质资源在产量、叶片数和耐抽薹性等方面差异较大，有利于种质资源的比较和筛选。相关性分析结果表明，农艺性状指标间相关性较强，指标信息间存在重叠，适合采用主成分分析法提取少数指标对大白菜种质资源进行综合评价。通过提取前3个主成分，特征值均大于1，同时累计方差贡献率达75.793 9%，包含了主要农艺性状的绝大部分信息。通过聚类分析将50份大白菜种质资源分为4类，利用主成分分析与聚类分析对大白菜种质资源农艺性状进行考察和评价，筛选出不同用途的优良亲本材料。其中，从德高秋美、天正秋白×春福皇、太太菜、五月美皇中选育出的自交系分别为4个类群中表现最优异的材料，研究结果为育种工作提供了理论基础。

关键词：大白菜；种质资源；相关性分析；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S634.1 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2023）05-037-07

Evaluation of bolting tolerant germplasm resources of Chinese cabbage based on principal component analysis and cluster analysis

XIAO Yan ZHANG Qianqian YUAN Ranghua CHANG Huaicheng WANG Xiaoling YUAN Jingyun XU Shijing LIU Xuesheng

（1. Henan Xinxiang Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang 453000， Henan， China; 2. Henan Jinlei Seedling Co.， Ltd.， Xinxiang 453000， Henan， China）

Abstract： In order to promote the breeding of Chinese cabbage varieties， the variation， correlation， principal component analysis and cluster analysis of 10 agronomic traits， such as development degree， plant height and gross weight， were carried out in 50 germplasm resources of Chinese cabbage. The results showed that the coefficient of variation of central column longitudinal diameter， net weight and head number were 45.39%， 29.88% and 28.71%， respectively， the results showed that there were significant differences in yield， leaf number and bolting tolerance among the 50 Chinese cabbage germplasm resources， which was beneficial to the comparison and screening of germplasm resources. The results of correlation analysis showed that there was a strong correlation among the agronomic traits and the information of the traits overlapped， so the principal component analysis was suitable to extract a few indexes for comprehensive evaluation of Chinese cabbage germplasm resources. By extracting the first three principal components， the eigenvalues were all greater than 1， and the cumulative contribution rate was 75.793 9%， which contained most of the information of the main agronomic traits. Through cluster analysis， 50 Chinese cabbage germplasm resources were divided into 4 categories， and the agronomic characters of Chinese cabbage germplasm resources were investigated and evaluated by principal component analysis and cluster analysis， and the good parent materials for different purposes were screened out， Degaoqiumei，Tianzhengqiubai×Chunfuhuang， Taiaicai and Wuyuemeihuang are the best materials among the four groups.

Key words： Chinese cabbage; Germplasm resource; Correlation analysis; Principal component analysis; Cluster analysis

大白菜（Brassica pekinensis Rupr.）原产我国，栽培历史悠久，在长期的栽培中通过自然选择和广大科研人员的不懈努力，培育形成了适应不同地区、不同生态类型的地方品种，种质资源十分丰富[1]。大白菜产业模式的变革使春播及高寒地区的大白菜栽培面积不断扩大。目前，我国在耐抽薹品种选育方面起步较晚，生产上种植的这些品种多依赖日本、韩国进口，成为大白菜种业的“卡脖子”问题，突破的关键在于品种创新，而品种创新的关键在于实施种质资源的精准鉴定评价。

农艺性状具有直观、经济、便于观察及与作物的生产直接关联等特点，是重要的作物评价指标。刘来福[2]于1979年在国内首次提出利用主成分遗传距离度量亲本间遗传差异。针对表型性状利用主成分分析和聚类分析进行评价，在水稻[3-4]、玉米[5]、马铃薯[6]、辣椒[7]、西葫芦[8]、芸豆[9]、甘蓝[10]等作物种质资源研究中得到应用。而在大白菜上的报道较少，刘永莉等[11]、范伟强等[12]利用数量性状主成分分析和聚类分析研究大白菜品种间的遗传差异。

笔者以新乡市农业科学院白菜研究所通过多年自交选育和游离小孢子培养获得的50份合抱型大白菜种质资源为材料，调查农艺性状，分析各农艺性状的变异系数、相关关系，采用主成分分析和聚类分析对大白菜种质资源进行综合评价，最终筛选出优异种质资源，该项工作对提高选育效率和育种水平具有重要的理论和实践意义。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料50份，均为新乡市农业科学院白菜研究所经过多年自交选育获得的合抱型大白菜自交系，材料来源见表1。

1.2 方法

2020年春季进行田间鉴定，试验地点位于河南省新乡市农业科学院研发中心基地。2月13日，于日光温室内穴盘育苗，每盘50穴，每个材料育苗1盘，3月15日田间定植。田间小区试验设计为3次重复，随机区组排列，小区面积6 m2。每份材料每个重复定植12株；采用起垄覆膜栽培，膜上定植，每垄定植双行，株行距50 cm×50 cm，设保护行。在生长期间，及时防治病虫危害。

5月15日统一调查株高、开展度、毛质量、净质量、球高、球宽、外叶数、球叶数、中心柱横径、中心柱纵径10个农艺性状。农艺性状调查标准根据GB/T 19557.5－2017《植物品种特异性、一致性和稳定性测试指南 大白菜》，每个材料每次重复调查3株，取平均值进行数据统计分析。

1.3 数据统计与分析

应用Excel2016对源数据进行统计与整理，得出各农艺性状的平均值、标准差和变异系数等；再把数据导入DPS?数据处理系统第3版软件，对10个农艺性状进行相关性分析和主成分分析，提取特征值大于1的因子作为主成分，得到原始数据相关矩阵的特征值、方差贡献率、累计方差贡献率等，最后根据性状的差异进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 50份大白菜种质资源主要农艺性状变异分析

由表2可知，在50份大白菜种质资源中，不同大白菜种质资源的10個农艺性状表现出不同程度的差异，变异系数在9.83%～45.39%，变异幅度较大。其中，中心柱纵径的变异系数最大，为45.39%，变异幅度为4.17～19.00 cm，极差是14.83 cm；其次是净质量，变异系数为29.88%，变异幅度为0.57～1.88 kg，极差是1.31 kg；其他性状的变异系数从大到小依次为球叶数＞外叶数＞毛质量＞中心柱横径＞球宽＞开展度＞球高＞株高。结果显示，除了株高，其他性状的变异系数均大于10%，表明这50份大白菜种质资源在产量、叶片数和耐抽薹性等方面差异较大，有利于种质资源的比较和筛选。

2.2 50份大白菜种质资源主要农艺性状指标的相关性分析

从表3可知，在50份大白菜种质资源的10个农艺性状指标中，大白菜的开展度与株高、毛质量、球高、球宽和外叶数呈极显著正相关；株高与毛质量、球高、球宽和外叶数呈极显著正相关；毛质量与净质量、球宽、球叶数和中心柱横径呈极显著正相关，与球高呈显著相关；净质量与球宽、球叶数和中心柱横径均呈极显著正相关；球高与球宽、外叶数呈极显著正相关；球宽与球叶数呈显著正相关；球叶数与中心柱横径呈极显著正相关，与中心柱纵径呈极显著负相关。这表明各农艺性状指标间相关性较强，指标信息间存在重叠，适合采用主成分分析法提取少数指标对大白菜种质资源进行综合评价。

2.3 50份大白菜种质资源主要农艺性状指标的主成分分析

在主成分分析的降维过程中，认为特征值≥1的主成分具有一定代表性。由表4可知，前3个主成分的特征值分别为3.714 6、2.150 6和1.714 3，均大于1，同时累计方差贡献率达75.793 9%，包含了主要农艺性状的绝大部分信息，因此选取前3个主成分进行分析比较可靠，而其他成分的特征值均小于1，且方差贡献率趋于平缓（图1），代表性不强，不提取为主成分。

由表4、5可知，第一主成分的特征值为3.714 6，贡献率为37.145 6%，以毛质量（0.440 0）、球宽（0.412 6）、开展度（0.384 5）和株高（0.348 5）的荷载较高，其特征值均为正值，说明第一主成分综合反映了大白菜整体植株的信息。

第二主成分的特征值为2.150 6，贡献率为21.505 5%，以中心柱横径（0.483 1）、球叶数（0.376 2）和净质量（0.366 6）的荷载较高，说明第二主成分反映的是大白菜的产量和球叶数信息。

第三主成分的特征值为1.714 3，贡献率为17.142 8%，以中心柱纵径（0.671 1）、外叶数（0.393 5）、球叶数（0.388 8）的荷载较高，说明第三主成分反映的是植株的耐抽薹信息。

2.4 大白菜主要性状聚类分析

对50份大白菜种质资源的10个性状进行聚类分析，在遗传距离2.7处将其分为4个组群（图2）。计算各类群性状的平均值（表6）。

第一类群包括13份大白菜种株质，该类种质平均开展度59.36 cm，株高35.47 cm，毛质量2.38 kg，净质量1.47 kg，球高31.19 cm，球宽21.13 cm，球叶数57.88片，中心柱横径4.78 cm，均是各类群最高。该类群可作为组配高产、大株型耐抽薹品种的亲本材料。第二类群包括6份大白菜种质，该类种质平均中心柱纵径17.72 cm，居各类群最高，球叶数26.00片，居各类群最少，净质量1.09 kg。该类群耐抽薹差，产量居中，不适合组配耐抽薹品种。第三类群包括13份大白菜种质，该类种质平均开展度50.95 cm，株高29.64 cm，球叶数达51.97片，中心柱纵径6.54 cm，该类群株型小、叶片多、耐抽薹性较好，可作为组配耐抽薹娃娃菜品种的亲本材料。第四类群包括18份大白菜种质，该类群平均开展度為55.12 cm，株高33.43 cm，净质量最低，为0.85 kg，球高29.98 cm，球宽19.33 cm，球叶数47.52片，中心柱纵径6.99 cm。该类群属于大株型，耐抽薹性好，结球较松，可作为组配耐抽薹品种的亲本材料。

2.5 综合评价

在聚类分析的基础上对不同类群自交系主成分综合得分值进行排序，从而筛选出不同用途的优良自交系，由表7可知，共分为了4个类群，其中第一类群综合得分值最高的3个材料是德高秋美、贝贝黄和秋月黄；第二类群综合得分值最高的3个材料是天正秋白×春福皇、特黄春×北京新三号和春福皇×贵州黄点心；第三类群综合得分值最高的3个材料是太太菜、迷你黄和福娃娃；第四类群综合得分值最高的3个材料是五月美皇、山地黄金和豫艺冬美。

3 讨论与结论

为了加强大白菜种质资源的利用，促进优良大白菜品种的选育，笔者对50份大白菜合抱类型种质资源于春季种植进行了耐抽薹性鉴定。一般新乡地区春季大白菜栽培定植后覆盖小拱棚，4月5日左右拆棚。笔者于3月15日露地膜上定植大白菜材料，不搭建小拱棚，让植株充分感受低温。5月15日调查开展度、株高、毛质量等10个农艺性状。

变异度分析表明，中心柱纵径的变异系数最大，其次为净质量，再次为球叶数，表明这50份大白菜种质资源在产量、叶片数和耐抽薹性等方面差异较大，有利于种质资源的比较和筛选。相关性分析结果表明，净质量与球宽、球叶数和中心柱横径呈极显著正相关；球高与球宽、外叶数呈极显著正相关；球宽与球叶数呈显著正相关；球叶数与中心柱横径呈极显著正相关，与中心柱纵径呈极显著负相关，这与余阳俊等[13]的研究结论一致。

在大白菜耐抽薹品种育种工作中，筛选优良种质最常用的方法是将产量性状、耐抽薹性状及其相关的性状进行分析评价，评价时主观因素太多且分析比较片面。主成分分析可以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，通过提取主要因子，可以综合考虑多个性状，比较客观地筛选出优良种质[14]。在主成分分析前，先将中心柱纵径进行正向化处理，即在该性状数值前加负号[15]，中心柱纵径与球叶数呈极显著负相关，大白菜的抽薹性与开花叶片数呈极显著相关，花芽分化较晚，抽薹较晚，开花叶片数亦最多；相反抽薹早，开花早，开花叶片数则最少[13]；一般结球率大于80%，抽薹率低于10%，短缩茎<10 cm，认为是耐抽薹性强的材料[16]。

笔者研究相关性分析的结果表明，各农艺性状指标间相关性较强，指标信息间存在重叠，适合采用主成分分析法提取少数指标对大白菜种质资源进行综合评价。因此，笔者的研究结果表明，前3个主成分的特征值均大于1，同时累计方差贡献率达75.793 9%，包含了主要农艺性状的绝大部分信息，反映出了大白菜的整体植株、产量、球叶数和耐抽薹等信息，选取前3个主成分分析比较可靠。主成分分析是将原来多个指标用少数互不相关的综合指标来代替反映大部分信息的一种降维的分析方法[14]。聚类分析是将研究对象关系更接近的合并为一类，明确分类界限，但不会对信息进行删减，不会区分元素重要性，即类别间的重要性是等同的[17]。

亲缘关系远近是白菜杂交育种亲本组配时应考虑的重要因素，定量描述亲本材料的遗传差异，对指导重组育种和优势育种研究具有重要意义[11]。聚类分析研究大白菜种质资源间的遗传差异，对优势育种的亲本应在类群间进行选择。因为类群间的遗传差异大，更有利于杂种优势的利用。为了更好地利用大白菜种质资源优势性状进行育种，笔者通过聚类分析将50份大白菜种质资源共分为4类，第一类群种质资源，株型较大、产量高、球叶数多、中心柱短、耐抽薹性好，可作为组配高产、大株型耐抽薹品种的亲本材料；第二类群耐抽薹差，产量居中，不适合组配耐抽薹品种；第三类群株型小，耐抽薹性较好，可作为组配耐抽薹娃娃菜品种的亲本材料；第四类群属于大株型、耐抽薹性较好、结球较松散的材料，也可作为组配耐抽薹品种的亲本材料；并在不同类群中对种质资源主成分的综合得分值进行排序，以更好地筛选出不同用途的优良种质资源。在今后的研究中还可以增加材料的抗病性、软叶率、球心色等性状的调查，增加小区面积和调查株数，更全面地评价种质资源。

综上所述，笔者通过对50份大白菜种质资源的株高、开展度、毛质量、净质量、球高、球宽、外叶数、球叶数、中心柱横径、中心柱纵径10个农艺性状进行系统比较分析，并采用主成分分析、聚类分析和综合评价，将50份种质资源分为了4个类群，其中，从德高秋美、天正秋白×春福皇、太太菜、五月美皇中选育出的自交系分别为4个类群中表现最优异的材料，今后可根据育种目标合理利用这些资源，为以后的大白菜育种工作提供科学依据，提高育种效率。

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