符小發(fā)，高 強，任海龍，路子鋒，王天地，陳積豪，嚴(yán)勇亮

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院海南三亞農(nóng)作物育種試驗中心，海南 三亞 572014；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所，新疆 烏魯木齊 830091）

大豆〔Glycine max（L.）Merr.〕原產(chǎn)于我國，在我國已有2 000多年的栽培歷史［1］，是重要的蛋白質(zhì)和油脂來源，而大豆的產(chǎn)量卻低于其他糧食作物［2］。大豆產(chǎn)量性狀是基因型與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，是大豆植株形態(tài)特征的具體表現(xiàn)，也是葉片、分枝、豆莢等器官在一定生存環(huán)境下，相互依托、相互制約的存在狀態(tài)［3］。在特定生態(tài)條件下，研究特定性狀與產(chǎn)量的關(guān)系，就可以直觀地篩選出高產(chǎn)育種的指標(biāo)性狀［4］。大豆產(chǎn)量受多基因控制，育種上很難進(jìn)行直接選擇，通過與產(chǎn)量相關(guān)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行選擇已成為作物高產(chǎn)育種的一個重要途徑［5］。大豆的產(chǎn)量與單株莢數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、株高、結(jié)莢高度、單株粒數(shù)、百粒質(zhì)量等性狀都有密切關(guān)系，與產(chǎn)量在一定閾值內(nèi)呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)［6-8］。通過主成分分析、聚類分析和其他分析方法聯(lián)用，對于品種評價、分類、指導(dǎo)育種、建立理想的高產(chǎn)株型方面均有獨到的優(yōu)勢［9-12］。大豆是短日照作物，在特定的生態(tài)區(qū)域表現(xiàn)出特有的植株性狀，比如北種南引，植株變得矮小，并且早熟；南種北引，生育期變長，開花延后，植株變得高大，很多南方品種不能正常成熟。在北方及其他特定區(qū)域，由于部分南方大豆品種不能正常成熟，而大豆產(chǎn)量相關(guān)相關(guān)性狀的主成分分析不能集中所有生態(tài)類型的大豆品種，分析結(jié)果受到數(shù)據(jù)采集的限制。南繁是利用海南三亞及周邊地區(qū)特有的光熱條件進(jìn)行農(nóng)作物加代試驗，加快農(nóng)作物育種的步伐。所有生態(tài)類型的大豆集中在一個地方種植和南繁條件下（海南三亞）種植用作產(chǎn)量相關(guān)性狀分析的報道還很少。本研究通過對南繁條件下（海南三亞）對來自世界各地的150份不同生態(tài)類型大豆材料進(jìn)行主成分分析，并進(jìn)而進(jìn)行聚類，以評價不同國家引進(jìn)大豆品種各綜合指標(biāo)的主成分，為合理選配親本提供理論依據(jù)，確定大豆南繁高產(chǎn)性狀重點選擇目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為從國內(nèi)外引進(jìn)的150份大豆資源，由新疆農(nóng)業(yè)學(xué)院海南三亞農(nóng)作物育種試驗?zāi)戏狈N質(zhì)資源庫和新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所提供種子，其資源編號、名稱及來源見表1。

1.2 試驗方法

試驗在海南三亞新疆農(nóng)科院科技示范園進(jìn)行。試驗地位于三亞市海棠區(qū)洪李村，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，土壤為新改良的沙性土壤，地力均勻。栽培模式為覆膜滴灌，采用壟上雙行的播種方式，行距0.4 m，株距0.2 m，壟寬0.6 m，小區(qū)面積1.2 m2。于2016年10月28日播種，管理方式同大田。

1.3 調(diào)查項目及方法

大豆完全成熟時，每份材料連續(xù)取長勢均勻的10株進(jìn)行統(tǒng)計，參照《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》［13］，分別調(diào)查生育期（x1）、株高（x2）、有效分枝數(shù)（x3）、單株莢數(shù)（x4）、單株粒數(shù)（x5）、百粒重（x6）、生物產(chǎn)量（x7）和單株產(chǎn)量（x8）。

試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003統(tǒng)計軟件進(jìn)行整理，采用SPSS19.0軟件進(jìn)行方差分析和原始數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化，利用其因子分析功能對大豆的單株產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行主成分分析和系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

從表2可以看出，株高與生育期、株高與單株莢數(shù)、生育期與單株莢數(shù)、有效分枝數(shù)與單株莢數(shù)、生育期與單株粒數(shù)、株高與單株粒數(shù)、單株莢數(shù)與單株粒數(shù)、有效分枝數(shù)與單株粒數(shù)、生育期與百粒重、生物產(chǎn)量與生育期、生物產(chǎn)量與株高、生物產(chǎn)量與生育期、生物產(chǎn)量與有效分枝數(shù)、生物產(chǎn)量與單株莢數(shù)、生物產(chǎn)量與單株粒數(shù)均呈極顯著正相關(guān)；生育期與有效分枝數(shù)、株高與有效分枝數(shù)、株高與百粒重、單株莢數(shù)與百粒重、單株粒數(shù)與百粒重均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)；單株產(chǎn)量與生育期、株高、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、百粒重均呈極顯著正相關(guān)。

表1 大豆材料來源信息

表2 150份大豆材料各農(nóng)藝性狀指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)

2.2 大豆農(nóng)藝性狀主成分分析

在進(jìn)行主成分分析之前，往往需要用巴特利特球度檢驗和KMO檢驗，根據(jù)Kaiser給出的度量標(biāo)準(zhǔn)：KMO＞0.9非常適合；0.8適合；0.7一般；0.6不太適合；0.5以下不適合。對所選取數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，KMO=0.786；Bartlett球形度檢驗觀測值為880.153，df=21，P=0.0008，檢驗極顯著，比較適合做主成分分析。利用SPSS軟件的Analyze菜單中的Factor過程進(jìn)行主成分分析得到特征值和貢獻(xiàn)率（表2），所統(tǒng)計記錄的7個指標(biāo)間相互存在緊密的關(guān)系，通過主成分分析綜合得出3個主成分，第一主成分貢獻(xiàn)率48.878%，第二主成分20.642%，第三主成分17.120%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)86.640%，因此可以用這3個主成分來分析150個大豆樣本群體。第一主成分中向量值較大的指標(biāo)依次為單株粒數(shù)（0.521）＞單株莢數(shù)（0.515）＞生物產(chǎn)量（0.489）＞株高（0.404），涵蓋3.429（特征根λi）個指標(biāo)的數(shù)據(jù)，稱為產(chǎn)量性狀因子；第二主成分中向量值較大的指標(biāo)依次為百粒重（0.709）＞生育期（0.663），涵蓋1.446個指標(biāo)的數(shù)據(jù)，稱為熟期因子；第三主成分中向量值較大的指標(biāo)為有效分枝數(shù)0.853，涵蓋1.190個指標(biāo)的數(shù)據(jù)，稱為分枝因子。第一主成分涵蓋了7個指標(biāo)近1/2的數(shù)據(jù)，在選擇高產(chǎn)大豆品種時，應(yīng)作為重要的考察因子，其中以單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、生物產(chǎn)量的特征向量較大，株高次之，百粒重為負(fù)值，說明百粒重較大的品種往往結(jié)莢性差、長勢也很一般，但系數(shù)并不大；生育期和有效分枝數(shù)均為正值，但系數(shù)較小，說明在供試品種中，高產(chǎn)品種表現(xiàn)為單株粒數(shù)、單株莢數(shù)多，生物產(chǎn)量較大，長得較高；熟期、分枝力和籽粒大小沒有明顯規(guī)律，差異不明顯。

表3 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

由因子載荷量與共同度結(jié)果（表4）可以看出，單株莢數(shù)x4和單株粒數(shù)x5在3個主分量中所占信息量最大，即對單株產(chǎn)量影響較大，而有效分枝數(shù)x3、百粒重x6和生物產(chǎn)量x7這3個因子的信息量相當(dāng)，生育期x1和株高x2的信息量差些。

表4 因子載荷量與共同度

2.3 聚類分析

利用spss軟件將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，并用標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)xti（t=1～150，i=1～7）計算，得出3個主成分對應(yīng)的方程分別為：

3個主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)到80%以上，因此根據(jù)3個主成分方程計算3個主成分得分。然后，利用3個主成分得分進(jìn)行Q型聚類（平方Euclidean距離），在平方歐氏距離4.5時可以將150個品種聚為9個類群，每個類群的基本信息見表5和圖1。由表5可知，第Ⅰ類群和第Ⅱ類群的單株產(chǎn)量較低，單株產(chǎn)量小于20 g，兩個類群長得都很矮，平均株高不到20 cm，有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)和單株粒數(shù)都非常接近，但第Ⅱ類群百粒重較第Ⅰ類群大；第Ⅲ類群主要表現(xiàn)為株高很低，有效分枝數(shù)多，造成單株結(jié)莢數(shù)并不低，單株產(chǎn)量高的主要影響因子是百粒重較大，一般為30～40 g；第Ⅴ類群主要表現(xiàn)為有效分枝數(shù)極少，但株高較高，百粒重一般（20～30 g），單株結(jié)莢數(shù)（最大達(dá)96個豆莢）和單株粒數(shù)（最大達(dá)214粒）是這類品種取得高產(chǎn)的重要因子；第Ⅸ類群只有1個品種，株高、有效分枝數(shù)、單株結(jié)莢數(shù)和單株粒數(shù)均較大，百粒重只有20.6 g，卻并不影響這個品種（編號446）成為單株產(chǎn)量最高的品種，在海南的生育期達(dá)到91 d；第Ⅵ類群和第Ⅶ類群的品種單株產(chǎn)量極低，均在20 g以下，第Ⅵ類群甚至在10 g以下，長得也比較矮；第Ⅳ類群和第Ⅷ類群的單株產(chǎn)量均表現(xiàn)一般，第Ⅷ類群只有1個品種，具有分枝能力極強的特點，平均單株有效分枝數(shù)達(dá)到10個。

根據(jù)主成分分析的結(jié)果 ，對3個主成分（表3）中7項指標(biāo)的特征向量采用類平均法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，把具有密切的相關(guān)或偏相關(guān)性的因素聚為一類，可選用1個因素代表同一類中的其余因素；單為一類的因素則具有相對獨立性。結(jié)果（圖2）在最大距離為10時上述指標(biāo)可劃分為3類：（1）單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、生物產(chǎn)量、株高；（2）有效分枝數(shù)；（3）百粒重和生育期，說明上述7項指標(biāo)可由這3類指標(biāo)所代表，為指標(biāo)簡化創(chuàng)造了可能，再根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果最終確定單株粒數(shù)、有效分枝數(shù)和百粒重3個因素來衡量大豆品種的產(chǎn)量潛力。

表5 參試品種資源各類群特征

圖1 150個大豆品種的聚類譜系圖

圖2 7個大豆產(chǎn)量評價因子的聚類譜系圖

3 結(jié)論與討論

本試驗150份大豆材料被分為9個類群，類群間差異顯著，可用于大豆高產(chǎn)育種，高產(chǎn)品種可在第Ⅲ類群、第Ⅴ類群和第Ⅸ類群中進(jìn)行選擇。表明大豆高產(chǎn)選育過程中，應(yīng)注重選擇單株粒數(shù)、有效分枝數(shù)和百粒重較高的品系。

海南屬于熱帶季風(fēng)氣候，全年高溫，降水分旱、雨兩季，日照時間短，有利于大豆全生育期的完成［14-15］。本研究供試的150份材料均能正常成熟，可以把融合更多類型的大豆品種進(jìn)行大豆產(chǎn)量性狀分析，測試的7個產(chǎn)量相關(guān)性狀均與大豆單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)＞0.5的產(chǎn)量性狀有單株粒數(shù)（0.950）、單株莢數(shù)（0.876）、生物產(chǎn)量（0.866）、株高（0.560），表明在大豆干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成過程中，需要為大豆植株構(gòu)建相應(yīng)的源和庫，只有源庫相匹配，才能有足夠的光合產(chǎn)物積累到足夠大的庫中，植株矮小、細(xì)弱或豆莢、豆粒少都會影響大豆的單株產(chǎn)量。因此，在選擇大豆高產(chǎn)品種時，應(yīng)側(cè)重選擇這些性狀為重要指標(biāo)［16］；有效分枝數(shù)（0.223）、生育期（0.353）和百粒重（0.044）也與單株產(chǎn)量正相關(guān)，說明影響產(chǎn)量的性狀較多，不能只注重個別性狀的選擇，其他性狀也會促進(jìn)或者抑制產(chǎn)量的形成。因此，在選擇高產(chǎn)品種時，需要綜合各性狀間相互影響的因子，找到互不影響的綜合指標(biāo)用于材料的選擇。

對150份引進(jìn)的大豆材料進(jìn)行主成分分析，調(diào)查的7個產(chǎn)量相關(guān)性狀可綜合得出3個主成分：第一主成分稱為產(chǎn)量性狀因子，此結(jié)果與眾多學(xué)者在大豆產(chǎn)量主成分分析的結(jié)果相類似［17-19］；第二主成分以百粒重和生育期為最大，生育期長，百粒重也較大，故稱為熟期因子；第三主成分的特征向量以有效分枝數(shù)為最大，故為分枝因子。3個主成分中，第一主成分特征根λi為3.429，貢獻(xiàn)率達(dá)到48.878%，說明本試驗中7個調(diào)查的大豆單株產(chǎn)量形成因子中，單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、生物產(chǎn)量和株高4個農(nóng)藝性狀是造成大豆品種產(chǎn)量差異的重要因子。根據(jù)因子載荷量與共同度表，調(diào)查的7個農(nóng)藝性狀中對不同品種單株產(chǎn)量的影響依次為單株莢數(shù)＞單株粒數(shù)＞生物產(chǎn)量＞有效分枝數(shù)＞百粒重＞生育期＞株高，這與王采潔等［11］的研究結(jié)果相似，同時與任海龍等［20］的灰色關(guān)聯(lián)度分析結(jié)果類似。反映3個主成分信息量較大的指標(biāo)為單株莢數(shù)（0.947）、單株粒數(shù)（0.942）和生物產(chǎn)量（0.908），因此在選擇育種中應(yīng)該優(yōu)先選擇這類材料，高產(chǎn)栽培模式創(chuàng)建過程中對這些性狀進(jìn)行重點調(diào)控，促進(jìn)生物量增長，增加單株莢數(shù)和單株粒數(shù)。

單株產(chǎn)量較高的主要集中在第Ⅲ類群、第Ⅴ類群和第Ⅸ類群，這3個類群的特點主要表現(xiàn)為單株結(jié)莢數(shù)、單株粒數(shù)、株高和有效分枝數(shù)這4個指標(biāo)的其中幾個值較高。其中，第Ⅲ類群的有效分枝數(shù)較高，造成單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的增多；第Ⅴ類群的株高較高，造成單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的增多；第Ⅸ類群的有效分枝數(shù)和株高均較大，造成單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的增多。以上3個類群總體來說生物產(chǎn)量均較大，說明在育種和栽培過程中重點要提高大豆的有效莢數(shù)和豆粒數(shù)，這兩個指標(biāo)的提高需要通過增大有效分枝數(shù)和株高來獲得，這些指標(biāo)的增大往往表現(xiàn)在單株生物產(chǎn)量的提高。另外，聚為一類的9個類群材料往往會來自于不同的國家，說明每個國家的大豆材料都具有一定的多樣性。

對7個產(chǎn)量性狀指標(biāo)的聚類分析結(jié)果表明，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、生物產(chǎn)量和株高聚為一類，相關(guān)性極強；百粒重和生育期聚為一類；有效分枝數(shù)較為獨立。綜合主成分分析共同度，選擇每一類中共同度最大的指標(biāo)作為衡量不同大豆品種（系）產(chǎn)量的田間簡化測量標(biāo)準(zhǔn)，本研究在單株粒數(shù)和有效分枝數(shù)兩項指標(biāo)的基礎(chǔ)上［21］，增加百粒重這個指標(biāo)作為高產(chǎn)大豆的選育指標(biāo)，與陳桂娟等［22］的研究結(jié)果相似。

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