黔西北山区芸豆新品系主成分分析研究

唐 义 葛平珍 何友勋 赵 龙 余 娟 宗 宏 余 莉 张时龙

（毕节市农业科学研究所 贵州毕节 551700）

黔西北山区特有的气候、 地理环境适合芸豆产业的发展，但当前芸豆新品种（系）衰退严重，传统品种产量较低，已不能满足种植户对产量的需求，鉴选出适合黔西北山区种植的高产、 商品性佳的品种是当前芸豆育种的目标。

主成分分析是从构成性状的多因素关系揭示供试材料的特点，了解其主成分构成、特征及生物学意义， 为供试材料的客观评价和品种的引进或选育提供理论参考。 近年来，主成分分析较多地运用于作物种质资源的综合评价，主要作物有花生、小麦、大豆、红麻、棉花、芸豆、小豆、黄麻等[1-8]。

本研究以15 个芸豆新品种（系）为试验材料，通过田间记载和室内考种， 并用主成分分析确定农艺性状的主成分组成， 根据主成分得分和贡献率计算出综合主成分得分， 利用综合主成分得分评价芸豆的适应性，筛选出农艺性状良好的芸豆新品种（系），旨在为黔西北山区提供优质高产的芸豆新品种（系），同时为芸豆的大面积示范推广提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种（系）为毕节市农业科学研究所选育的14 个直立有限芸豆新品系， 分别为YL-06、PⅡ-5、YL-02、PⅡ-8、观47、YL-09、YL-10、YL-07、YL-03、YL-04、PⅠ-11、观39、YL-08、YL-05、英国红（CK）。

1.2 试验方法

本试验不设统一对照， 以参试品种的平均产量作为参考对照进行统计分析。 试验各小区随机区组排列，重复3 次，小区面积10 m2（5 m×2 m）。 点播，每小区行长2 m、 宽5 m， 行距50 cm， 窝距33.3 cm，10 行区，每行6 窝，播种深度5～8 cm。 双株留苗，每小区60 窝、120 株（12 万株/hm2）。

试验地位于毕节市朱昌镇，海拔1 595.3 m，北纬27.17°、东经105.28°，土质黄壤，肥力中等。 播种前土地实行一犁一耙，捡除残桩杂草。 土地平整、细碎、疏松。 2021 年4 月22 日播种，4 月30 日至5 月3 日达出苗期，出苗整齐，5 月16 日匀苗、定苗。 5 月20 日第1 次中耕除草， 起小垄。 5 月21 日追肥， 复合肥15 kg/亩+尿素15 kg/亩+钾肥5 kg/亩混合施用。 6 月2 日、6 月15 日分别用高效氯氰菊酯喷雾杀虫。 7 月2 日、7 月20 日分别进行中耕除草。

1.3 农艺性状调查

参考《普通菜豆种质资源描述规范和数据标准》进行调查记载，对播种期、出苗期、成熟期、株高、主茎分枝数、有效分枝数、主茎节数、荚长、荚宽、单株荚数、单荚粒数、粒型、粒色、百粒重、单株产量等农艺性状进行调查记载和统计。

1.4 数据分析

利用Excel 整理数据，通过SPSS 22.0 对株高、主茎分枝、有效分枝、主茎节数、荚长、荚宽、单株荚数、荚粒数、百粒重、单株产量等农艺性状进行描述性统计分析，同时用DPS 软件进行主成分分析。

2 结果与分析

2.1 15 个芸豆品系农艺性状的描述性统计分析

由表1 可知， 不同品种在农艺性状上均表现一定的差异性，差异范围为11.39%～56.15%。 变异系数表现为单株荚数>单株粒重>百粒重>有效分枝>主茎节数>株高>荚粒数>主茎分株>荚长>荚宽。单株荚数变异系数最高， 为56.15%； 荚宽变异系数最小，为11.39%，表明单株荚数受基因型和环境影响较大，荚宽受基因型和环境影响较小。

表1 15 个芸豆品系农艺性状描述性统计

2.2 芸豆农艺性状的主成分分析

2.2.1 10 个农艺性状的相关性分析 由芸豆单株产量和各农艺性状的相关系数（表2）可知，单株产量与株高、主茎分枝、有效分枝、主茎节数、单株荚数、荚粒数呈显著或极显著正相关， 与百粒重呈显著负相关。 百粒重与株高、主茎节数、单株荚数呈显著或极显著负相关，与荚长、荚宽呈显著正相关。 其余性状间也存在一定的相关性， 各农艺性状显示的信息发生重叠， 同时各指标在农艺性状评价中的作用各有差异， 直接利用这些指标不能对芸豆农艺性状进行综合评价。 将相互关联的性状通过降维转换为几个相互独立的因子进行分析， 从而使综合评价更加科学合理。

表2 15 个芸豆品系各农艺性状相关性系数

2.2.2 10 个农艺性状的主成分分析 由于芸豆各农艺性状间存在不同程度的相关性， 其显示和表达的信息会相互重叠，为了消除性状间的相关影响，采用主成分分析法对芸豆农艺性状进行综合评价及分析。 前3 个主成分的累计贡献率为86.11%（表3），能代表原农艺性状的大部分信息，因此将10 个农艺性状转化为3 个主成分。

表3 芸豆品系农艺性状的主成分分析

各农艺性状特征向量系数绝对值越大， 代表该农艺性状与主成分的相关性越强， 通常认为特征向量系数绝对值大于0.3，则表明该农艺性状与主成分紧密度较高[9]。 第1 主成分特征值为6.10，贡献率为61.03%，表达株高、主茎分枝、有效分枝、主茎节数、单株荚数、荚粒数、百粒重、单株粒重等信息，称其为产量构成因子；第2 主成分特征值为1.76，贡献率为17.59%，表达主茎分枝、有效分枝、荚长、百粒重等信息， 称其为籽粒构成因子； 第3 主成分特征值为0.75，贡献率为7.50%，主要表达荚宽和单株产量的信息，称其为荚宽和单株产量构成因子。

2.2.3 芸豆农艺性状综合评价 根据各农艺性状的标准化数据和相应的特征向量，计算出15 个芸豆新品种（系）各自的主成分得分，即Y（i,1）=0.351Zs1+0.318×Zs2+……+0.324×Zs10；Y（i,2）=0.015×Zs1+0.377×Zs2+……+0.129×Zs10；Y（i,3）=-0.087×Zs1-0.005×Zs2+……+0.368×Zs10（其中，Zs1，Zs2，……Zs10 表示各指标的标准化数据）。 将15 个芸豆新品种（系）各主成分得分按序排列， 可直观权衡每个主成分在每个品种中所处的位置及分量。芸豆农艺性状的综合评价模型为Y＝［λ1/（λ1＋λ2＋λ3）］×Y（i,1）＋［λ2/（λ1＋λ2＋λ3）］×Y（i,2）＋［λ3/（λ1＋λ2＋λ3）］×Y（i,3），其中，λ1～λ3分别对应各主成分的特征值， 并利用该数学模型计算15 个芸豆新品种（系）的综合主成分得分（表4），能较直观地对芸豆农艺性状进行综合评价。

表4 芸豆农艺性状的主成分得分及排名

由表4 可知， 在15 个芸豆新品种 （系） 中，第1 主成分排名前3 的是PⅡ-5、观47、YL-09，得分分别为5.486 6、5.477 6、1.408 2， 此3 个品种植株较高，主茎节数、主茎分枝数及有效分枝较多，单株荚数、荚粒数较高，百粒重较低，单株产量较高；第2 主成分排名前3 的是YL-10、观39、YL-02，得分分别为2.756 7、1.543 1、1.348 5，此类品种的主茎分枝和有效分枝较多、荚较长、百粒重较高；第3 主成分排名前3 的是YL-07、YL-06、YL-09，得分分别为1.390 4、0.977 4、0.961 0，以上芸豆新品种（系）的荚较宽。

从农艺性状综合主成分得分来看， 其分值越高芸豆的综合农艺性状越好。 芸豆新品种（系）综合主成分排名前3 的是PⅡ-5、观47、YL-09，植株较高，主茎节数、 主茎分枝及有效分枝较多， 单株荚数较多、单荚粒数和百粒重适中，则芸豆新品种（系）的单株产量较高。 综上表明，不能只考虑某一性状或随机的几个性状，应对农艺性状进行全面、系统及科学地综合评价。

PⅡ-5、 观47、YL-09 这3 个品种的综合主成分得分排名前3 且均大于1.0， 综合农艺性状表现良好，参加贵州省芸豆区试及生产试验，报贵州省种子管理站登记或鉴定后在黔西北山区推广示范应用。

2.2.4 芸豆农艺性状主成分的二维排序图 以芸豆各农艺性状第1 主成分得分与第2、3 主成分得分为横、纵坐标制作二维散点图（图1）。 第1 主成分为产量构成因子，其得分越高越好，第2 主成分为籽粒构成因子，其得分适中较好，第3 主成分为荚宽构成因子，其得分适中较好。 从图1 可直观地看出，综合农艺性状较好的品种有PⅡ-5、 观47、YL-09。 可将此3 个品种作为黔西北山区推广示范品种。

图1 第1 与第2、3 主成分的二维散点图

3 讨论与结论

通过对15 个芸豆品种进行描述性统计分析，发现芸豆的经济性状（株高、主茎分枝、有效分枝、主茎节数、荚长、荚宽、单株荚数、荚粒数、百粒重、单株粒重等）均存在不同程度的变异，其中，株高、主茎分枝、有效分枝、主茎节数、单株荚数、荚粒数、百粒重、单株粒重等8 个性状的变异系数均大于15%， 其中单株荚数的变异系数（56.15%）最大。 说明可通过有性杂交、 系统选育等方法对以上8 个性状进行选择及改良，最终实现育种目标。

本研究采用主成分分析法对15 个芸豆品种的10 个农艺性状进行分析， 前3 个主成分的累计贡献率为86.11%，其中：第1 主成分为产量构成因子，贡献率为61.03%；第2 主成分为籽粒构成因子，贡献率为17.59%；第3 主成分为荚宽和单株产量构成因子，贡献率为7.5%。 以上主成分表达的综合信息能反映全部性状的绝大部分遗传信息， 区域适应性越好的品种，其主成分综合得分越高。 芸豆新品种（系）综合主成分得分排名前3 的是PⅡ-5、观47、YL-09，且通过主成分的二维排序图能直观看出PⅡ-5、观47、YL-09 的综合农艺性状较好， 可提供以上品种参加贵州省芸豆区试及生产试验， 若综合表现良好， 可报贵州省种子管理站登记或鉴定后在黔西北山区推广示范应用。