基于GT 双标图对小麦新品系的分类评价

摘要：为了从产量、品质方面准确评价旱肥地试验小麦新品系，以2020—2021年连续2年参加国家黄淮冬麦区旱地组多点比较试验的26份新品系为材料，应用多元统计方法分析了大田条件下2年间产量和品质性状的变化。结果表明：26份品系的产量和品质性状2年变异系数分别为2.0%～74.2%和2.1%～95.1%，变异较大，变异系数大小顺序依次为稳定时间gt;湿面筋含量gt;蛋白质含量gt;吸水率=单位面积产量gt;容重；相关分析表明，2年产量与品质性状存在负相关关系，稳定时间均与蛋白质含量、吸水量正相关，稳定时间与产量负相关，其中稳定时间与蛋白质含量相关系数均较高。在相关分析的基础上，采用聚类分析方法将2年中26份小麦参试品系聚为4类，并在主成分品种、性状（genotype by trait， GT）双标图（biplot）和聚类图中进行展示，聚类结果与新品系的实际表现一致，其中‘泰科麦4835’‘洛旱35’‘农大162’‘山农611436’连续2年划为同一类型，表现为产量较高、品质优良。该研究结果可为参试新品系的合理评价和推广应用提供理论依据。

关键词：小麦新品系；主成分分析；GT双标图；聚类分析；产量；品质性状

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0097

中图分类号：S512 文献标志码：A 文章编号：1008‑0864（2024）07‑0014‑11

小麦（Triticum aestivum L.）在世界上80 多个国家种植，其种植面积常年保持在2.0×107 hm2以上，占全世界总膳食热量和蛋白质的20%，小麦作为三大粮食作物之一，也是我国北方面食的主要来源[1-3]。近年来，随着气候变化、水资源不足的现象日益加剧，干旱已成为我国乃至世界小麦生产面临的主要限制因素[4-6]。多年生产实践表明，培育和推广抗旱小麦新品种是解决干旱问题最直接有效的技术措施[7-13]。我国小麦连年丰收，新品种在增产中发挥了重要作用，小麦良种对于增产的科技贡献率已经达到45%以上[14]。小麦区域试验是品种审定推广的必要措施，通过科学、公正、客观地评价新育成小麦品种（系）高产稳产性、抗逆性及品质，可为新品种审定提供依据[15‑16]。我国小麦区域试验有规范的技术规程，新品种审定也有具体标准[17‑18]，国审小麦新品种审定标准包括产量指标、品质指标和抗逆指标等方面，其中品质指标主要包括容重、籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、稳定时间、拉伸面积和最大抗延阻力共7个指标，其中拉伸面积和最大抗延阻力是拉伸仪参数，只有在粉质仪参数稳定时间较长，面团延展性较好的条件下才可进一步进行拉伸试验[18‑19]。

主成分分析是多元统计分析中的重要方法，在不丢掉主要信息的前提下，避开变量间共线性问题，从多个变量提取较少的综合指标，从而反映总体信息[20]。多个变量在主成分降维处理后，其结果可以进一步进行聚类分析[21‑22]。主成分分析法一般与相关分析和聚类分析综合应用，在小麦研究多用于品质性状的分析。孙彩玲等[21]研究了297份山东省区域试验小麦品种（系），发现影响小麦品质的主要因素是面筋指数、沉淀值、形成时间和稳定时间；孙宪印等[23]探究了15份黄淮北片冬小麦品种（系）的情况，把9个主要品质指标解释为营养因子、加工因子、容重因子和吸水率因子，这4个因子对小麦品质影响大小顺序依次为加工因子gt;营养因子gt;容重因子gt;吸水率因子；郝建宇等[24]对2009—2018年参加国家小麦品种审定的172份品种（系）的7个指标进行了分析，发现稳定时间是影响小麦品质的主要因素之一，面团流变学特性因子对小麦品质的贡献率最高。近年来，品种−性状 （genotype by trait，GT）双标图广泛地用于基于多性状的品种分类评价、目标性状间相关关系的直观展示、品种与性状互作特点的揭示等方面[25‑26]。目前，针对多个小麦新品种（系）的评价主要是按照审定标准是否分别达到相关产量、抗逆和品质指标为依据。 GGEbiplot （genotype plusgenotype×environment interaction） 双标图函数多应用于对新品系产量单一性状的分析，对其高产、稳产特性进行评价和理想品种的选择[27-29]，本研究选取产量和品质指标对品种进行综合评判。运用GGEbiplot函数对品系、因素变量构建GT双标图，同时展示不同种质不同产量和品质性状相互关系及分类结果的研究在棉花中已有报道[26]。本研究探讨了利用双标图同时展示小麦新品系不同性状间的关系、品系的分类结果的可行性，并用聚类分析图进行了验证。

本研究以2020—2021 连续2 年参加黄淮冬麦区旱地组的26 份小麦新品系为材料，研究了不同年际间产量、容重、籽粒蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率、稳定时间共6 个指标的变异及指标间的相关性，并在主成分分析的基础上，通过系统聚类和二维图展示、评价参试品系分类特征和应用价值，旨在为综合评价小麦新品系、揭示产量和品质指标间的关系，为小麦育种提供有益参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2020—2021连续2年参加黄淮北片旱肥地多点试验的26份新品系（表1）。

1.2 数据来源

26份小麦新品系的产量及品质性状数据来源于2020—2021连续2年黄淮北片旱肥地组的多点试验，试验地点为分布在山东、河南、河北、陕西及山西等地的22个试验点，品质性状包括容重、蛋白质含量、湿面筋含量、吸水率和面团稳定时间等5项指标。

1.3 GT 双标图制作

制作GT双标图时，首先对品种×性状数值表进行奇异值分解，然后将品种和性状的前2个主成分（PC1和PC2）得分聚焦于性状的奇异值分配和定标处理，以2个主成分作为横坐标和纵坐标绘制二维散点图，形成GT双标图。连接原点到不同性状的向量， 即形成GT双标图的性状间关系功能图， 各性状向量间的夹角大小表示性状间的相关性， 夹角越小相关性越强， 品种到某性状向量的投影距离表示品种在该性状上的相对数值大小。基于GT双标图的前2个主成分（PC1和PC2）得分计算品种图标间的欧氏距离，然后采用最小平方和法进行品种相似性聚类分析，并在GT双标图中展示各品种分类与性状的互作模式，有助于直观展示和分析不同品种的特征特性。这样形成的二维图中，不仅包含了品种、性状信息，而且能反映不同品种不同性状的大小，尤其是优势性状，也能反映性状间的关系，同时直观地显示不同品种的分类结果。

1.4 统计分析

采用Excel 2013进行数据整理，利用R 语言3.6.2进行性状描述性统计分析、主成分分析和系统聚类分析，应用chart.Correlation程序包进行相关性图形的绘制，并利用GGEbiplot函数对品系、因素变量构建品系×性状GT双标图， 分析性状间的相关性及其与品系的互作模式。

2 结果与分析

2.1 旱肥地新品系产量和品质性状的变异及年份间差异分析

分别对2000年和2021年参试的26个小麦品系的5个品质性状和产量进行统计量描述性统计分析（表2）。2020年5个品质性状和产量的变异系数为2.0%～74.2%，2021年5个品质性状和产量的变异系数为2.1%～95.1%，2年变异系数表现一致，均为稳定时间gt;湿面筋含量gt;蛋白质含量gt;吸水量=单位面积产量gt;容重。年份间变化量表明，2021年比2020年产量降幅不大，大部分品质指标值如容重、蛋白质含量和稳定时间增大，湿面筋含量和吸水量减小，可见不同基因型新品系的产量和品质性状均受到不同年际环境因素变化的影响，湿面筋含量和吸水量减小的原因可能是面粉蛋白质组分的含量和淀粉组分的含量不同造成的。t 测验分析表明，产量和品质性状年份间的变化程度不同，年份间湿面筋含量差异显著，其余指标均不显著，变化程度从大到小依次为湿面筋含量gt;稳定时间gt;蛋白质含量gt;吸水量gt;容重gt;产量。

2.2 旱肥地品系产量和品质性状间的相关性

分别对2020年和2021年调查的产量和品质性状进行相关性分析，结果（图1）显示，2年间产量除了与容重正相关外，与其他品质指标如蛋白质含量、湿面筋含量及稳定时间等均表现为负相关，且相关性大小顺序相似，表现为容重gt;蛋白质含量gt;湿面筋含量。2020 年产量与吸水量正相关、2021年二者负相关；2年间容重均与产量正相关，与蛋白质含量、湿面筋含量、吸水量负相关，2020年与2021年容重与稳定时间分别表现为正相关和负相关；2年间蛋白质含量与其他指标间相关性表现一致，即蛋白质含量与产量、容重负相关，而与湿面筋含量、吸水量和稳定时间正相关，且与湿面筋含量相关程度最高；2年间湿面筋含量均表现与产量和容重负相关，与蛋白质含量、吸水量正相关，2020年湿面筋含量与稳定时间负相关，2021 年二者是正相关，相关程度小；2年间吸水量均表现与蛋白质含量、湿面筋含量、稳定时间正相关，与容重负相关，但2020年吸水量与产量正相关，相关系数低，2021年二者负相关；2 年分析结果表明，稳定时间均与蛋白质含量、吸水量正相关，而与产量负相关，其中与蛋白质含量相关系数均较高，而2020年稳定时间与容重正相关，2021年二者负相关，相关系数较小，为-0.018。2020年稳定时间与湿面筋含量负相关，2021年二者则正相关，相关系数较小，为-0.023。目前，稳定时间是小麦品质提升的主要限制因素，稳定时间与蛋白质含量正相关且相关系数较高，可以通过提高蛋白质含量来间接提高稳定时间。

2.3 26 份小麦新品系产量和品质性状的主成分分析

对26份小麦新品系产量和品质性状进行主成分分析，结果（表3）表明，2020年和2021年前4个主成分累计贡献率分别为93.80% 和91.08%。第1个主成分贡献率分别为 41.83%和41.67%，特征向量均表现为产量和容重是正值，蛋白质、湿面筋含量、吸水量、稳定时间为负值，其中湿面筋、蛋白质、产量和容重因子的绝对值较大；第2个主成分贡献率分别为25.50%和 19.72%，特征向量均表现为稳定时间最大，主要不同是2020年吸水量为正值，2021年该指标为负值；第3个主成分贡献率分别为14.59%和16.08%，特征向量吸水量绝对值均较大，但2020年特征向量产量性状最大其次是吸水量性状，2021年特征向量吸水量绝对值最大；第4个主成分贡献率分别为11.88%和13.62%，特征向量湿面筋含量均较大，而2020年特征向量容重最大，其次是湿面筋含量。2021年特征向量湿面筋含量最大，其次是产量。

2.4 26 份小麦新品系产量和品质性状的聚类分析

根据4个主成分的产量和品质性状对26份小麦新品系进行聚类分析（图2、表4），2020与2021年均将26份品系划分为4类。2020年第Ⅰ类含2份材料，分别是‘长优173’ （V10）和‘国科11’ （V21）；2021年第Ⅰ类含1份材料，为‘长优173’ （V10），表现为产量较低、品质优、蛋白质含量高、稳定时间较高，连续2 年均划分为同一类；2020 年第2 类含5份材料，分别是‘泰科麦4835’ （V2）、‘山农611436’ （V5）、‘ 西农711’ （V15）、‘ 农大162’（V19）和‘洛旱35’ （V26）；2021年第Ⅱ类含5份材料，分别为‘泰科麦4835’ （V2）、‘洛旱35’ （V26）、‘农大162’ （V19）、‘山农611436’ （V5）和‘国科11号’ （21），表现为产量较高、品质优良，其中‘泰科麦4835’ （V2）、‘洛旱35’ （V26）、‘农大162’ （V19）、‘山农611436’ （V5）连续2年分为同类，均推荐进入下一轮区域试验。2020 年第Ⅲ类含10 份材料，2021年第3类含11份材料，表现为产量中等品质达到中筋水平，稳定时间较短，2年分别为3.71和4.28 min，其中‘K64628’ （V1）、‘ 洛旱34’ （V25）、‘BC17PT161’ （V24）、‘ 品育8177’ （V22）、‘ 西农908’ （V14）和‘渭麦15号’ （V12）连续2年划为该类；第Ⅳ类连续2年均有9份材料归为此类，表现为产量中等，品质属于弱筋水平，稳定时间最短，平均稳定时间不同年际之间仅为2.21和2.38 min，其中‘衡H1914’ （V8）、‘ 西农1109’ （V17）、‘ 农8178’ （V7）、‘17T5252’ （V9）和‘西农631’ （V11）连续2 年均划为此类。综上，不同基因型新品系产量性状的高产稳产特性和品质性状的稳定性不同，受不同年际间气候因素变化的影响，产量和品质性状均发生不同程度的变化，其中第Ⅱ类参试品系表现产量较高、品质优良，变幅较小。第Ⅰ类品系，产量较低，但品质达到强筋小麦标准，没有进入下一轮试验，可以保留作为种质资源，用于改良小麦品质。

2.5 26 份小麦新品系双标图分析

由2020年和2021年产量和品质性状主成分1和主成分2的GT双标图3可知，除了吸水量外其他性状分布大致相同。单位面积产量、容重分布在第1象限，稳定时间、蛋白质含量在第2象限，湿面筋含量在第4象限，但2020年吸水量分布在第2象限，2021年该指标则分布在第4象限。图中带有箭头线条的长度近似于变量的方差，即线条越长，方差越大，线条指向品系相对应的性状值较高。如V2产量性状连续2年较高，V21稳定时间连续2年均表现数值最高。2020年各性状线条长度相近，2021年稳定时间方差最大，吸水率方差最小。不同线条之间角度的余弦值，可以近似于它们所对应变量之间的关联性。角度越接近90°（cos 90° = 0）或者270°（cos 270° = 0），相关度就越小。同理，0°或180°的角度分别反映了1或-1的关联性。连续2年的主成分图中均显示产量与容重强正相关关系明显，产量指标和品质指标负相关。

GT双标图中的点表示了品系信息，GT双标图中的向量表示各个产量和品质指标的信息。不同品系点之间的距离近似于真实的多变量空间中2个观测点之间的欧氏距离，反映它们对应样本之间的差异大小，两点相距较远则对应样本差异大，不同样本点相距较近则对应样本差异小，存在相似性，可以运用95% 置信区间聚类在一起（图2～3）。

2.6 小麦新品系GT 双标图分类结果与性状聚类结果比较

2020年与2021年的产量和品质指标主成分GT双标图分别展示了试验真实信息的67.33%和61.39%。其中，2020年GT双标图新品系分类结果与聚类分析中的品种系分类结果完全一致，2021年GT双标图新品系分类结果与聚类分析中的品种系分类结果大致一致，可能的原因一是2021年度参试品系的产量、品质性状多表现差异相对2020年度较小，部分品系分类椭圆有交叉；二是GT双标图是依据前2个主成分分析的，系统聚类分析是依据前4个主成分分析的，代表试验真实信息量的大小不同，2020与2021年的产量和品质指标系统聚类图分别代表了试验信息的93.80%和91.08%（表3、图2～3）。相比于传统聚类，GT双标图代表的信息更丰富、直观，GT双标图中包含了品系的坐标位置、性状指标及分类结果。由GT双标图可以看出品系的优势性状、性状间的相关性、品系之间的相似性。

3 讨论

3.1 黄淮冬麦区旱肥地小麦产量和品质性状年际间的变化

黄淮冬麦区小麦旱肥地试验的目的是对参加旱地组多点品比试验的小麦新品系进行连续2年的产量和品质比较试验，为参试单位和个人提供参试品系的适应性信息，从中筛选出丰产性和适应性及品质达标的品系，进一步提交国家品种区域试验，以便优良品种尽快投入生产[30]。因此，合理分析和评价参试新品系不同年际间主要性状的遗传特点并分析性状间的关系，不仅可以评价小麦参试新品系，同时也可以为新品系的选育提供有益信息。

冬小麦品种在旱作条件下种植，受降雨、温度等气候因素影响较大，品种的农艺、品质性状表现可能在年际间差异很大，前人已进行了较多研究[31-33]。本研究的26 份新品系在不同年份的产量和品质性状表现不同，变异系数的大小反映了种质变异程度的大小，可以反映出各性状的变异丰富程度和性状适应性。各性状2 年变异系数大小表现一致，依次为稳定时间gt;湿面筋含量gt;蛋白质含量gt;吸水率=单位面积产量gt;容重。同时t 测验表明，产量和品质性状年份间的变化程度不同，年份间湿面筋含量差异显著，其余指标均不显著，变化程度从大到小依次为湿面筋含量gt;稳定时间gt;蛋白质含量gt;吸水量gt;容重gt;产量。结合《主要农作物品种审定标准（国家级）》[19]，强筋小麦品种要求：粗蛋白质含量（干基）≥14.0%、湿面筋含量（14% 水分基）≥30.5%、吸水率≥60%、稳定时间≥10.0 min。26 份小麦新品系蛋白质含量、湿面筋含量及吸水率等指标的平均值较高，超过了强筋小麦指标，只有稳定时间较低，2年间分别为4.42和5.69 min。因此，结合不同指标的变异系数大小及t 测验中不同指标年际间变化的差异，旱肥地强筋小麦品种的选育应该以提高稳定时间并关注稳定时间不同年份间的稳定性为重点。小麦的品质性状与优质亚基有关，1Ax1、1Bx7+1By8、1Bx17+1By18、Dx5+1Dy10亚基对蛋白质、沉降值、稳定时间、最大抗延阻力和拉伸面积等品质指标有显著的正向效应，可在小麦丰产的基础上，关注品种（系）优质亚基组成[34‑35]。

3.2 黄淮冬麦区旱肥地小麦产量和品质性状之间的相关性

本研究中2年间6个性状之间的相关性都较强。2年间产量均表现为与容重正相关，与蛋白质含量、湿面筋含量及稳定时间等均表现为负相关，且相关性大小顺序相似，依次为容重gt;蛋白质含量gt;湿面筋含量，不同的是，2020 年产量与吸水量正相关，但相关系数仅为0.075，而2021年二者负相关；因此，产量与品质性状存在负相关关系，这与范家霖等[36]和韩启秀等[37]的结果一致。蛋白质含量与湿面筋含量、吸水量和稳定时间正相关；稳定时间均与蛋白质含量、吸水量正相关，其中稳定时间与蛋白质含量相关系数均较高，据此推断可以通过提高蛋白质含量来提高稳定时间。蛋白质含量可以利用近红外微量测定法来完成，具有快速、批量、无损、高效的特点，而稳定时间需要粉质仪测定，对种子数量有一定要求，费时费力。

3.3 GT 双标图和聚类分析图在新品系分类中应用

本研究在分析不同小麦产量和品质指标相关性的基础上，利用主成分分析，减少变量的数量，同时保留尽可能多原始变量信息。在主成分分析的基础上进行聚类分析，可以清楚地了解每个新品系的特点及归类。主成分GT双标图中展示的信息分别为不同年际间的67.3%和61.4%，为此，选用4个主成分值，信息量分别占到总信息量的93.8%和93.1%，聚类结果与新品系的实际表现一致。利用聚类分析结合其分类和指标变化，可以反映每个新品系的归类和指标量的大小，其中‘泰科麦4835’‘洛旱35’‘农大162’‘山农611436’连续2年分为第2类，其特点是产量较高、品质优良，具有一定的应用价值。

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基金项目：国家小麦产业技术体系项目（CARS-03-61）；山东省重点研发计划项目（2018GNC2302）；山东省现代农业产业技术体系育种岗位专家项目（SDAIT-01-04）；山东省农业良种工程项目（2019LZGC010）；泰安市科技发展计划项目（2019NS078）。