李方舟，張海生，王 軍，楊婷婷，古曉紅，李廣信，劉晉聯(lián)

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031；2.晉中市氣象局，山西晉中030006）

大豆不僅是油料作物，而且還是重要的高蛋白糧食作物。近年來，隨著油料、食品加工等行業(yè)的快速發(fā)展，人們對大豆的需求量日益增大，因此，追求大豆高產(chǎn)成為大豆育種的主要目的之一[1]。大豆產(chǎn)量除了受栽培措施的影響外，還受多基因控制，表現(xiàn)為由單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、有效分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)和百粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀共同作用[2]。而作物農(nóng)藝性狀之間存在緊密的相關(guān)關(guān)系，因此，在分析眾多農(nóng)藝性狀過程中，存在觀測數(shù)據(jù)有信息重疊的問題，造成信息冗余，降低了分析效率[3]。主成分分析法能夠從眾多的變量中提取出幾個彼此不相關(guān)的綜合因子來反映原來變量的信息，達(dá)到數(shù)據(jù)降維、消除共性信息的目的[4]。隨著計算機(jī)的普及，主成分分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物產(chǎn)量性狀分析和品質(zhì)性狀分析[5]。韓秉進(jìn)等[3]對大豆18 個農(nóng)藝性狀進(jìn)行了主成分分析，把農(nóng)藝性狀歸納為產(chǎn)量性狀因子、株高性狀因子、莢數(shù)性狀因子和主莖節(jié)數(shù)性狀因子等4 個綜合指標(biāo)。郭數(shù)進(jìn)等[6]在對大豆農(nóng)藝性狀研究時提取了4 個主成分。李文霞等[7]在對不同生態(tài)區(qū)大豆性狀進(jìn)行主成分分析時，提取了3 個主成分，累計貢獻(xiàn)率為80.12%～90.77%。在主成分分析基礎(chǔ)上，可以利用聚類分析對品質(zhì)資源分類，能夠比較真實地反映品種的綜合性狀，可以為育種選材提供客觀依據(jù)[8]。陳麗麗等[9]利用聚類分析法將25 個供試材料分為出籽實飼料型株系、飼草型株系、草實兼用型株系3 大類。羅珊等[10]將參試的55 份品種利用聚類分析法分成5 大類。林文磊等[11]對39 份大豆種質(zhì)基于綜合主成分值將參試種質(zhì)分成3 個大類2 個亞類，基于性狀數(shù)據(jù)的聚類分析將參試種質(zhì)分成3 個大類4 個亞類。李清華[12]采用聚類分析法把34 份菜用大豆劃分為7 大類。符小發(fā)等[13]對南繁條件下150 份從國內(nèi)外引進(jìn)的大豆資源進(jìn)行主成分分析和聚類分析，結(jié)果表明，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)和百粒質(zhì)量較高的品系。王宏勇等[14]在晉旱125×（昔野×501）雜交組合的親本及后代群體提取了5 個主成分，結(jié)果表明，莢型因子影響最大，其次是株型因子。葛長軍等[15]對8 個鮮食大豆品種的10 個性狀進(jìn)行調(diào)查，結(jié)果表明，單株莢質(zhì)量、百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)3 個性狀主要影響鮮食大豆的鮮莢產(chǎn)量。

本研究以山西省參加多點試驗的10 個品系為材料，分析了10 個品系農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的關(guān)系，并且通過主成分分析法對農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分類，根據(jù)主成分分析法各品系得分，通過聚類分析法對10 個品系進(jìn)行分類，旨在探究山西省大豆產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的關(guān)系，并對品系進(jìn)行分類，以期為山西省高產(chǎn)大豆的選育提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

表1 試驗材料

供試材料為2016—2017 年參加山西省中部、西部、西南部3 個地區(qū)多點區(qū)域試驗的10 份大豆材料（表1）。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽試驗基地種植。試驗采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個品種3 次重復(fù)，每個品種種1 個小區(qū)，每小區(qū)長6 m、寬2 m。試驗地人工起壟，穴播，每穴定苗1 株，行距0.5 m、株距0.2 m。

1.3 測定項目及方法

在大豆收獲期，每個試驗小區(qū)隨機(jī)選取中間2 行的10 株整株大豆，對植株進(jìn)行考種，記錄株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀，并稱籽粒質(zhì)量。人工收割小區(qū)剩余植株，脫粒、稱質(zhì)量，分別與考種植株的籽粒質(zhì)量相加，求得小區(qū)產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

植株農(nóng)藝性狀描述性統(tǒng)計、相關(guān)分析、聚類分析采用SPSS 19 軟件進(jìn)行，主成分分析采用MATLAB 7.0 軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 植株農(nóng)藝性狀分析

從表2 可以看出，10 個大豆品系的主要農(nóng)藝性狀都有不同程度的差異，主莖節(jié)數(shù)、株高和單莢粒數(shù)的變異系數(shù)較小，分別為9.54%，10.98%和14.80%，表明所選品系的這3 個農(nóng)藝性狀差別不是太大，改進(jìn)余地較小，而其他農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在23.69%～32.03%，表明這幾個農(nóng)藝性狀有一定的改進(jìn)余地，其中，單株莢數(shù)的變異系數(shù)最大，為32.03%，其標(biāo)準(zhǔn)差為67.39 個，表明所選10 個品系中單株莢數(shù)差別較大。而小區(qū)產(chǎn)量的變異系數(shù)適中，為16.79%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.72 kg，是所有農(nóng)藝性狀共同作用的結(jié)果。

表2 大豆植株農(nóng)藝性狀變異分析

2.2 植株農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

從表3 可以看出，小區(qū)產(chǎn)量與有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.489和0.482，與單莢粒數(shù)和百粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.426 和0.416，說明提高大豆有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)和百粒質(zhì)量能夠提高大豆產(chǎn)量。有效分枝數(shù)和單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)，單莢粒數(shù)和百粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，而有效分枝數(shù)和單株莢數(shù)分別與單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，說明構(gòu)成大豆產(chǎn)量的因素是相互制約的，協(xié)調(diào)好產(chǎn)量因素對提高大豆產(chǎn)量有重要作用。

表3 農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

2.3 大豆品系的農(nóng)藝性狀主成分分析

大豆農(nóng)藝性狀主成分分析表明，在所有的主成分構(gòu)成中，主要信息集中在前4 個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到93.13%，其中，第1 主成分貢獻(xiàn)率最高，為46.11%，第2 主成分貢獻(xiàn)率為19.86%，第3，4 主成分貢獻(xiàn)率分別為14.04%，13.11%（表4）。

表4 各主成分的特征值及累計貢獻(xiàn)率

由表5 可知，在第1 主成分中，特征值較高且為正的農(nóng)藝性狀為底莢高度、主莖節(jié)數(shù)，特征值較高且為負(fù)的農(nóng)藝性狀是株高，說明第1 主成分是這3 個農(nóng)藝性狀的綜合反映，第1 主成分主要是株型性狀因子。在第2 主成分中，特征值較高且為正的農(nóng)藝性狀為有效分枝數(shù)和單株莢數(shù)，第2 主成分主要是產(chǎn)量性狀因子。在第3 主成分中，特征值最大的農(nóng)藝性狀為單莢粒數(shù)，特征值為0.887 6，說明第3 主成分是單莢粒數(shù)的反映。在第4 主成分中，百粒質(zhì)量特征值最大，說明第4 主成分是百粒質(zhì)量的反映。

表5 主成分的特征向量

2.4 聚類分析

在各主成分特征值（表4）和特征向量（表5）基礎(chǔ)上，可分別求出每一個大豆品系的主成分得分（表6）。

表6 各品系主成分得分

根據(jù)各品系的主成分得分，選用平方Euclidean距離、Ward（離差平方和）法，對品系進(jìn)行分類（圖1）。

圖1 顯示，可將10 個大豆品系分為3 大類，第1 大類包括汾9008-5、汾9014-2、晉豆19、晉遺39/晉遺45、陜豆157/晉豆19、晉遺30/晉大53、晉遺30/邯豆193 等7 個品系，第2 大類為汾9001-4，第3 大類包括隰洲小黑豆、汾豆70 這2 個品系。3 個類別的大豆品系農(nóng)藝性狀求平均值（表7）。

表7 3 個類別大豆農(nóng)藝性狀平均值

從表7 可以看出，第1 類別產(chǎn)量最高，單莢粒數(shù)最多，有效分枝數(shù)最少，其他農(nóng)藝性狀都居中，說明第1 類別品系的產(chǎn)量受各農(nóng)藝性狀影響較為均等，這種材料應(yīng)該著重以增加有效分枝數(shù)來提高產(chǎn)量。第2 類別產(chǎn)量居中，其百粒質(zhì)量最高，株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)最小，有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)居中，這類材料應(yīng)增加株高、主莖節(jié)數(shù)，降低底莢高度來提高產(chǎn)量，但降低底莢高度不利于機(jī)械收割，所以，這類材料應(yīng)通過增加株高、主莖節(jié)數(shù)來提高產(chǎn)量；第3 類別的單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量均最低，而株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)均最高，說明單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量主要影響產(chǎn)量，這類材料應(yīng)通過增大單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量來獲得高產(chǎn)。

3 討論

本研究結(jié)果顯示，主莖節(jié)數(shù)、株高和單莢粒數(shù)的變異系數(shù)在9.54%～14.80%，單株莢數(shù)的變異系數(shù)最大，為32.03%。韓秉進(jìn)等[3]研究表明，百粒質(zhì)量、主莖節(jié)數(shù)、單莢粒數(shù)變異系數(shù)在3.82%～7.36%，株高、有效莢數(shù)等其他性狀變異系數(shù)在11.54%～24.69%。賀禮英等[16]研究表明，株高、單株有效莢數(shù)、單莢粒數(shù)的變異系數(shù)集中分布在7.2%～23.82%，結(jié)莢高度變異系數(shù)（31.41%）最大，其中，單莢粒數(shù)變異與韓秉進(jìn)等[3]、賀禮英等[16]的研究結(jié)果一致，表明大豆的單莢粒數(shù)在同一地區(qū)變化較小。

在大豆產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀相關(guān)分析方面，本研究表明，產(chǎn)量與有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)，百粒質(zhì)量、單莢粒數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。而曹鵬鵬等[17]研究認(rèn)為，百粒質(zhì)量、節(jié)數(shù)與產(chǎn)量都呈負(fù)相關(guān)，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、有效分枝數(shù)與產(chǎn)量呈正相關(guān)，百粒質(zhì)量與單株粒數(shù)呈負(fù)相關(guān)。譚淑玲等[18]研究認(rèn)為，大豆產(chǎn)量性狀與株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)呈顯著正相關(guān)。本研究與他們結(jié)果有所不同，但有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)分別與單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)，因此，在育種過程中不能只顧及某一農(nóng)藝性狀，要考慮各農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性和協(xié)調(diào)性，注重某一農(nóng)藝性狀時，兼顧其他農(nóng)藝性狀。

在主成分分析法中，各主成分之間不存在相關(guān)性，是一個相對獨立的指標(biāo)體系[19]。本研究通過主成分分析，提取了株型性狀因子、產(chǎn)量性狀因子、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量4 個主成分，代表了93.13%的信息量。在實際育種工作中，不可能同時兼顧各個農(nóng)藝性狀，根據(jù)主成分提取出的各主成分特征向量，可以重點關(guān)注株高、底莢高度、主莖節(jié)數(shù)等主要農(nóng)藝性狀。

聚類分析根據(jù)遺傳距離大小把品系分為不同類別[20]。本研究通過聚類分析把10 個大豆品系分為3 類，同時指出3 個類別提高產(chǎn)量的途徑。

4 結(jié)論

山西省多點區(qū)域試驗大豆品系產(chǎn)量與有效分枝數(shù)和單株莢數(shù)相關(guān)性最好，通過主成分分析提取了株型性狀因子、產(chǎn)量性狀因子、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量4 個主成分，累計貢獻(xiàn)率高達(dá)93.13%，基本可以反映大豆植株生長和產(chǎn)量狀況。通過對各品系主成分分析得分進(jìn)行聚類分析，將10 個大豆品系劃分為3 大類。