基于主成分分析和聚类分析评价141份中蔗优良品系资源

郭强 江清梅 何洪良 黎正英 梁永检 秦昌鲜 唐利球

关键词：甘蔗；种质资源；主成分分析；聚类分析

甘蔗（Saccharumspp.hybrids）是热带作物，原产于热带和亚热带地区，属于禾本科单子叶植物，是世界上最主要的糖料作物之一[1]。我国是世界第三大甘蔗生产国，蔗糖总量占全国食糖总量的90%以上[2]。因此，蔗糖产业的可持续发展对保障国家食糖安全有着举足轻重的作用。

甘蔗杂交育种能否获得成功，主要依赖于杂交组合的科学选配，而杂交组合的科学组配则需要对甘蔗亲本材料进行系统地鉴定评价[3]。目前，绝大多数甘蔗育种单位均是根据海南甘蔗育种场提供的亲本信息进行组配杂交组合，然后委托海南甘蔗育种场进行培育杂交种子，再将获得的杂交种子到各个育种单位种植，很大一部分杂交组合的实生苗长势非常差，完全筛选不出优良单株。这主要是由于各育种单位的科技人员不了解亲本材料在当地的表现，只能通过海南甘蔗育种场提供的亲本信息和技术员自身的经验进行组配。因此，育种单位自行开展种质资源的收集、鉴定和评价，是提高种质利用率和甘蔗杂交育种效率的重要保障。

目前，甘蔗种质资源的研究最直接最基本的方法依然是表型性状的鉴定和描述[4]，虽然分子标记技术手段已广泛应用于甘蔗遗传多样性分析[5-9]，但是表型性状具有简单明确、经济有效、数据收集简便快速、与生产实际联系紧密等特点，具有不可替代的作用[10]。目前已有大量学者对甘蔗种质资源的表型性状进行了遗传多样性分析。刘新龙等[11]利用17个质量性状和5个数量性状对1160份甘蔗种质资源进行了遗传多样性分析，结果表明，不同来源地品种群体的数量遗传变异有较大差异，美国、中国台湾、澳大利亚等3个地区的甘蔗种质创新比较活跃，甘蔗品种群体表型性状的遗传变异主要来自来源地内部，且不同来源地品种群体之间存在较大的基因交流。吴建涛等[4]利用35个表型性状对116份甘蔗种质资源进行了遗传多样性分析，结果发现粤糖系列甘蔗亲本遗传多样性水平较高，叶片宽度和曝光后茎色多样性非常丰富，20世纪80年代粤糖亲本多样性指数最高。赵勇等[3]采用农艺性状快速分级的方法对317份甘蔗种质资源进行评价，结果表明，株高、茎径、有效茎、叶部病害程度和总体生势等是反映甘蔗种质资源田间表现的重要农艺性状指标。昝逢刚等[12]利用29个表型性状对104份国外引进甘蔗种质进行种间表型多样性分析，结果发现，104份国外甘蔗种质的质量性状多样性十分丰富，数量性状遗传变异较大。毛钧等[13]利用表型数据结合分子标记数据对147份斑茅无性系种质进行分析，筛选出了16份优良材料并构建斑茅微核心种质。徐超华等[14]以162份斑茅种质资源为材料，對其表型性状及其遗传多样性进行研究，结果发现，斑茅种质资源质量性状的遗传多样性指数整体偏低，数量性状的遗传变异较为丰富，群体的遗传变异主要来自于采集地内部，群体之间存在较大的基因交流，遗传结构分化不明显。

虽然已有学者对甘蔗种质资源的表型性状进行分析评价等系列报道，但是桂西南蔗区甘蔗种质资源收集保存、鉴定评价却鲜有报道，导致桂西南蔗区甘蔗育种进展较为缓慢。目前，桂西南蔗区主栽品种桂糖42号和柳城05136均易感黑穗病，而广西大学选育的中蔗系列甘蔗新品系最突出的特点就是高抗黑穗病和高产[9]。本研究基于主成分分析和聚类分析，以广西大学引进141份中蔗优良品系资源为研究材料，对其表型性状及遗传多样性进行研究，以期筛选出桂西南蔗区表现优异的甘蔗种质资源，尤其是高抗黑穗病的优异种质，为下一步桂西南蔗区甘蔗杂交育种提供优质的亲本。

1材料与方法

1.1材料

1.1.1植物材料参试甘蔗种质资源共141份，

均为广西大学自主选育的中蔗优良品系，为育种中间材料，于2019年从广西大学引进，所有种质均保存于广西南亚热带农业科学研究所甘蔗种质资源圃中。各甘蔗种质资源具体信息详见表1。

1.1.2试验地概况试验基地位于广西崇左市龙州县，属于南亚热带季风气候，气候温暖湿润，土壤为红壤土，耕作层有机质含量为2.40%～3.73%，全氮为1.36%～1.99%，速效磷为1125g/kg，速效钾为60～130g/kg，pH4.5～6.5。前茬作物为甘蔗。

1.2方法

本试验于2019年6月份种植，种质鉴定顺序排列，不设重复，试验小区行长10m，单行区，行距120cm，每行种植120芽，四周设保护行。田间管理按当地管理水平管理。试验于2020—2021年连续2a对甘蔗种质资源宿根蔗的株高、茎径、有效茎数、单茎重、蔗茎产量、黑穗病率、蔗糖分等7个性状进行测量。参照《甘蔗种质资源描述规范和数据标准》[15]的方法，在甘蔗成熟期，即12份选取连续15株健康甘蔗测量株高、茎径；调查小区内株高1m以上的蔗株数量和黑穗病发病蔗株数量，计算每公顷有效茎数和黑穗病发病率，估算蔗茎产量；选取10株甘蔗，称量其实际总重量，计算单茎重。次年1月随机选取6株健康甘蔗，参考李文凤等[16]的一次旋光法测定甘蔗糖分。

1.3数据处理

运用Excel2010软件对数据进行整理，并计算各性状的最大值、最小值、平均值、标准差和变异系数。采用SPSS20.0软件对各性状数据进行方差分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析，其中2个宿根季数据取平均值进行相关统计分析。

2结果与分析

2.1遗传多样性分析

由表2可知，141份中蔗品系资源的表型性状差异明显，变异系数在7.53%～67.21%之间，其中黑穗病率的变异系数（67.21%）最大，其次是蔗茎产量（27.32%）、有效茎数（23.49%）、单茎重（17.20%）和蔗糖分（11.91%），均大于10%，表明这5个表型性状具有较大的离散程度，资源类型丰富，进行遗传改良的潜力较大；其他2个性状变异系数较小，均小于10%。

2.2相关性分析

7个表型性状的相关性分析结果表明（表3），蔗茎产量与株高、茎径、有效茎数和单茎重呈极显著正相关，说明蔗茎产量与株高、茎径、有效茎数和单茎重等产量性状密切相关；单茎重与株高、茎径呈极显著正相关，说明越是高大的品种单茎重越大；茎径与有效茎数呈极显著负相关，与蔗糖分呈显著负相关，蔗糖分与有效茎数呈极显著正相关，说明大茎品种的有效茎数相对小茎品种要少，蔗糖分相对较低，有效茎数多的品种蔗茎较小，蔗糖分较高；黑穗病率与蔗糖分呈极显著负相关，说明受黑穗病危害严重的甘蔗品种，蔗糖分显著下降，严重影响甘蔗的品质。

2.3主成分分析

对7个表型性状进行主成分分析，以特征值大于1为标准提取主成分，结果显示（表4），7个表型性状的主要信息集中在前3个主成分中，累计贡献率达到了74.725%。主成分中各变量的系数是该性状作用大小的一个主要指标。第一主成分的特征值为2.233，方差贡献率为31.905%，其特征向量中，载荷较高且为正值的性状包括蔗茎产量（0.825）、单茎重（0.813）、茎径（0.625）和株高（0.618），主要反映的是产量性状。第二主成分的特征值为1.795，方差贡献率为25.636%，其特征向量中，载荷较高且为正值的性状包括有效茎数（0.832）和蔗糖分（0.662），主要反映的是茎数和品质性状。第三主成分的特征值为1.203，方差贡献率为17.183%，其特征向量中，载荷较高且为正值的性状包括黑穗病率（0.705）和蔗糖分（0.507），主要反映的是病害和品质性状。确定主成分后，计算141份中蔗品系资源的主成分综合得分，综合得分越大，表明该种质的综合表现越优。

2.4聚类分析

根据主成分综合得分，以欧式距离平方法对141份中蔗品系资源进行系统聚类分析，在欧氏距离为10处可将全部种质资源划分为3个类群（图1），各类群各性状的平均值见表5。第Ⅰ类群包括60份中蔗品系资源，该类群主成分综合得分高，其蔗株高大，高产高糖，抗病性强，宿根性强，各性状表现优异，与其他类群相比差异显著。第Ⅱ类群包括10份中蔗品系资源，该类群主成分综合得分低，植株矮小，产量低，糖分低，抗病性較差，宿根性不强，各性状综合表现较差。第Ⅲ类群包括71份中蔗品系资源，该类群主成分综合得分较低，蔗株中等，产量一般，蔗糖分较高，抗病性较差，宿根性一般，各性状综合表现一般。

2.5优异种质的挖掘

通过田间调查和统计分析，第Ⅰ类群的60份中蔗品系综合表现优异，相关性状见表6。通过综合评价，这60份中蔗品系高产高糖，抗逆性强，宿根性好，可作为甘蔗杂交亲本加以利用。其中，中蔗153303、中蔗150505、中蔗165201和中蔗151106等4个种质蔗糖分较高，均达到15%以上，可作为高糖亲本重点利用。中蔗15710、中蔗160913、中蔗162026、中蔗112819、中蔗1415219、中蔗1510055、中蔗140802和中蔗151106等8个种质表现出高抗黑穗病，田间调查中均未发现感染黑穗病，可作为抗黑穗病亲本加以利用。中蔗134007、中蔗118607、中蔗167010、中蔗144101和中蔗156615等5个种质产量较高，蔗茎产量均达到200000kg/hm2以上，可作为高产亲本加以利用。

3讨论

甘蔗种质资源的发掘利用，是突破性育种和遗传改良的关键，而种质资源研究最基本方法则是通过表型性状的鉴定评价，表型性状是甘蔗杂交育种中选配亲本的重要依据，选择综合性状优良的亲本配制杂交组合是甘蔗杂交育种选配组合的原则之一[3，17]。桂西南蔗区恰恰是缺乏对种质资源的鉴定评价，导致甘蔗育种科技人员缺乏对亲本材料在桂西南蔗区表现的了解，只能依靠海南甘蔗育种场提供的亲本信息和技术员自身的经验进行组合配制，此杂交组合培育的实生苗多数表现出植株矮小，长势差，病害严重，很难选育出优良单株。因此，本研究希望通过对141份中蔗优良品系资源的7个表型性状进行分析，筛选出桂西南蔗区表现优异的种质资源，作为桂西南蔗区甘蔗杂交组合配制的优质亲本。

遗传多样性分析发现，变异系数变化范围在7.53%～67.21%之间，说明甘蔗种质资源具有丰富的遗传变异；其中变异系数最大的是黑穗病率，说明该性状具有丰富的遗传基础，蕴藏着较大的选择潜力；而株高和茎径的变异系数均在10%以下，说明株高和茎径的遗传相对稳定，改良空间较小。这与武晋宇等[18]（5.68%～51.55%）和罗赣丰等[19]（8.85%～67.61%）的研究报道基本一致。

相关性分析结果表明，蔗茎产量与株高、茎径、有效茎数和单茎重呈极显著正相关，这与蒋洪涛等[20]的研究结果基本一致。说明株高、茎径、有效茎数和单茎为影响产量的主要性状，尤其是有效茎数对产量的影响效应最大。茎径与有效茎数呈极显著负相关，说明大茎品种往往分蘖性较差，有效茎数相对小茎品种要少。黑穗病率与蔗糖分呈极显著负相关，据杨荣仲等[21]的研究结果表明，黑穗病的发生与甘蔗株高、茎径、单茎重、蔗茎产量等不存在显著相关性，对甘蔗产量无显著影响，这与本研究结果一致，造成这一结果主要是由于受黑穗病为害的蔗株，最终整株死亡，对甘蔗株高、茎径、产量影响不大，但会对蔗糖分的转化造成严重影响，尤其对从侧芽抽出黑穗病鞭的蔗株危害严重，说明受黑穗病危害严重的甘蔗品种，蔗糖分显著下降，严重影响甘蔗的品质。

主成分分析法是利用降维的方法，用少数几个主成分概括多个性状指标的统计分析方法，用于作物表型性状评价上，既能把握其综合性状表现，又能简化程序，更具科学性[22-23]。本研究通过主成分分析发现，7个表型性状可提取3个主成分，累计贡献率达到了74.725%，第一主成分反映的是产量性状，第二主成分反映的是茎数和品质性状，第三主成分反映的是病害和品质性状。这3个特征是造成甘蔗种质表型多样化的主要因素，可根据这3个特征有针对性地发掘育种中间材料，为甘蔗杂交育种提供优质的亲本材料。

通过系统聚类分析，将141份中蔗品系划分为3个类群，第Ⅰ类群蔗株高大，高产高糖，抗病性强，宿根性强，各性状表现优异。第Ⅱ类群植株矮小，产量低，糖分低，抗病性较差，宿根性不强，各性状综合表现较差。第Ⅲ类群蔗株中等，产量一般，蔗糖分较高，抗病性较差，宿根性一般，各性状综合表现一般。综合表现优异的是第Ⅰ类群，其中包括60份种质，可作为杂交亲本进行组合配制，运用家系评价的方法进一步评价其作为杂交亲本的优异表现。此外，中蔗153303、中蔗150505、中蔗165201和中蔗151106等4个种质可作为高糖亲本加以利用。而中蔗15710、中蔗160913、中蔗162026、中蔗112819、中蔗1415219、中蔗1510055、中蔗140802和中蔗151106等8个种质可作为抗黑穗病亲本。抗黑穗病育种是我国甘蔗抗病育种的主要育种目标之一，而抗黑穗病育种进展较为缓慢，主要是由于高抗黑穗病的亲本材料仅占8.16%，这一现状给甘蔗抗黑穗病育种带来了严峻挑战[21]，因此需要筛选出更多的高抗黑穗病亲本。中蔗134007、中蔗118607、中蔗167010、中蔗144101和中蔗156615等5个种质可作为高产亲本加以利用。目前，我国的甘蔗高产育种与高糖育种相比进展缓慢，而一味地强调高糖育种而忽视高产育种，将会导致亲本群体产量限制而无法获得有效突破[24]，因此需要筛选出更多的高产亲本。

本研究仅针对桂西南蔗区引进甘蔗种质资源的表型性状进行分析，具有一定的主观性，同时也容易受到环境因素的影响，获得的结论往往不够客观。因此，计划下一步利用分子标记对甘蔗种质资源进行深入的遗传多样性分析和基因挖掘，以期更加客观地评价甘蔗种质资源，揭示其内在的遗传信息，提高资源利用效率，更好地为桂西南蔗区甘蔗杂交育种服务。