俞華先，經艷芬，安汝東，郎榮斌，董立華，桃聯安，孫有芳，楊李和，邊 芯，周清明，田春艷

(云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站，云南 瑞麗 678600)

【研究意義】開發(fā)利用野生種是拓寬甘蔗品種遺傳基礎的有效途徑，甘蔗種質材料的創(chuàng)新是甘蔗優(yōu)良創(chuàng)新種質培育與新品種選育的種質基礎[1-3]。 大莖野生種(Saccharumrobustum)別名伊里安野生種，體細胞染色體數(2n=60～120)，是甘蔗屬中的一個重要野生種，具有植株高大、生勢旺、抗螟蟲、耐旱強、抗風力強和宿根性好的特點[4-5]。部分育種機構利用它與熱帶種或甘蔗品種雜交、回交育成了一些優(yōu)良品種(育種材料)，如夏威夷育成的大莖野生種F3材料H37-1933；昆士蘭育成32MQ；佛羅里達運河點育成的品種CP36等；云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所1998-2002年利用大莖野生種57NG208與甘蔗(熱帶種或品種)雜交和回交選育出云蔗2000-505、云蔗2000-506等優(yōu)良BC1代創(chuàng)新種質材料；對大莖野生種利用最成功的是臺灣糖業(yè)公司甘蔗研究所利用大莖野生種F2材料PT43-52及其后代為創(chuàng)新種質育成的一系列重要的臺糖新品種，如F146、F152、F160、F172、ROC1、ROC5、ROC10、ROC22[4]，目前ROC22隨著推廣面積的增加及蔗農對其的高度認可成為大陸的當家品種，由此可見大莖野生種對拓寬甘蔗遺傳基礎及品種改良具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】大莖野生種血緣創(chuàng)新種質的分析和評價，是甘蔗野生種質資源育種的重要環(huán)節(jié)。目前，有關大莖野生種質資源的收集、鑒定、評價利用的研究不是很多。張純[6]對幾個大莖野生種后代作創(chuàng)新種質的育種效果進行分析；張允演[7]分析了大莖野生種后代在甘蔗育種中的利用情況，陸鑫等[8]對大莖野生種 57NG208 的17個雜種后代進行評價；朱建榮等[9]對大莖野生種57NG208與南澗果蔗正反交后代進行了遺傳變異分析，但對含大莖野生種血緣創(chuàng)新種質材料的評價卻鮮有報道?！颈狙芯壳腥朦c】尋找科學實用的評價方法，深入研究創(chuàng)新種質、創(chuàng)新種質材料的性狀表現，是利用云南甘蔗野生種質資源育種的基本思路，亦是實現創(chuàng)新種質材料高效利用的有效措施[10]，主成分分析法把原來相互關聯的各個性狀轉化為幾個互相獨立的綜合指標，用較少的新指標代替原來較多的原始變量，使變量達到簡化降維，根據綜合指標的方差貢獻率評價其在育種中的重要性。主成分分析和聚類分析綜合運用對作物種質資源的數量性狀進行評價分析在大豆、水稻、玉米、小米辣、煙草等多種作物上研究取得了較好的效果[11-15]，但目前結合主成分綜合得分排序和聚類分析對甘蔗大莖野生種57NG208血緣F2代創(chuàng)新種質的評價與分類鮮見報道?！緮M解決的關鍵問題】在2017/2018榨季，對新創(chuàng)制的大莖野生種57NG208血緣F2代，采用主成分綜合得分法進行綜合評價，并且基于主成分分析結果對參試材料進行系統(tǒng)聚類分析，篩選出可以重點利用的創(chuàng)新種質材料，以提高創(chuàng)新種質的利用效率。

1 材料與方法

1.1 供試材料

20份云瑞15系列大莖野生種57NG208血緣F2代創(chuàng)新種質(含雙對照粵糖93-159、新臺糖22號)來自云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站內親本圃，其創(chuàng)制方式除云瑞15-111為改良創(chuàng)新外，其余材料皆為原始創(chuàng)新，18份創(chuàng)新種質祖代創(chuàng)新種質都以大莖野生種57NG208為核心種質進行雜交，以粵糖93-159和新臺糖22號為對照，創(chuàng)新種質信息詳見表1。

表1 參試大莖野生種血緣F2代材料

1.2 試驗地概況和試驗設計

試驗安排在云南省農業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站內，該基地地勢平坦、土壤肥力均勻，陽光充足，灌溉方便，其海拔為825.4 m，北緯 24°1′33″，東經 97°51′44″，前季作物為甘蔗。試驗材料于2017年3月中旬種植，單行，小區(qū)行長1.50 m，行距1.10 m，3 次重復。四周設保護行，田間管理同常規(guī)大田管理一致。

1.3 調查項目

2017年11月下旬，在大田調查株高、莖徑、有效莖數和錘度等農藝性狀，其中株高和莖徑每個小區(qū)調查10株，錘度每個小區(qū)調查5 株。參照經艷芬的方法[16]利用以下公式計算單產和11月理論蔗糖分：

單產(t/hm2)=莖徑2(cm)×[株高(cm)-50]×0.785×叢有效莖數(條/hm2)

11月理論蔗糖分(%)=蔗汁平均錘度(%)×1.01-5.6

調查和計算記載的性狀：株高(X1)、莖徑(X2)、有效莖數(X3)、單莖重(X4)、蔗莖產量(X5)、11月蔗糖分(X6) (表 2) 。

1.4 統(tǒng)計分析

利用Microsoft Excel 2007整理基礎性狀數據，采用 SPSS 21.00 軟件進行主成分分析[17]，利用DPS數據分析系統(tǒng)對20份參試材料主要的數量性狀進行主成分分析。參照唐啟義[18]等和洪楠等[19]方法選取λ≥1的3個特征根作為20份參試材料的主成分。

2 結果與分析

2.1 參試材料6性狀間的相關性分析

從表2可見，株高與有效莖數、單莖重、蔗莖產量呈正相關，且與蔗莖產量的相關性呈顯著水平，與其它性狀呈負相關；莖徑與單莖重、蔗莖產量呈正相關，且與單莖重的相關性呈極顯著水平，與其它性狀呈負相關，且與有效徑數呈顯著負相關；有效莖數與蔗莖產量呈極顯著正相關，與11月蔗糖分呈顯著正相關，與單莖重呈負相關；單莖重與蔗莖產量呈正相關，與11月蔗糖分呈負相關；蔗莖產量與各性狀均呈正相關。若用這6個性狀對20份參試材料進行綜合評價，會因為性狀間存在多重共線性而導致評價結果不準確。

2.2 主成分分析

從表3可見，入選的3個主成分累計貢獻率為92.417 %，特征值總和為5.546，能代表樣本大部分信息。其中第一主成分的特征根為2.660，方差貢獻率為44.325 %，其特征向量主要是有效徑數(X3)、蔗莖產量(X5)、株高(X1)，特征向量分別為0.566、0.344、0.335，主要反映的參試材料的產量因子；第二主成分的特征根為1.831，方差貢獻率為30.520 %，其特征向量主要是單莖重(X4)、蔗莖產量(X5)、莖徑(X2)、株高(X1)、有效徑數(X3)、11月蔗糖分(X6)，特征向量分別為0.590、0.587、0.446、0.252、0.167、0.127，主要反映的是參試材料的單莖重產量情況；第三主成分的特征根為1.055，方差貢獻率為17.574 %，其特征向量中，11月蔗糖分(X6)最大，其次是莖徑(X2)，特征向量分別為0.715和0.205，主要反映的是參試材料的糖分情況，第三主成分中的11月糖分特征向量值較大，說明11月糖分與其他因子聯系較少，其受到相對較為獨立的遺傳因素控制。

參照陸鑫等[8]的方法用主成分特征向量除以相應的特征根得到主成分得分系數矩陣詳見表4。據主成分得分系數矩陣，可得到主成分得分函數表達式如下：

表2 各性狀間的相關矩陣

注：*和**分別表示0.05水平和0.01水平上顯著相關。

Note: * and ** meant significantly correlated at the 0.05 level and 0.01 level, respectively.

表3 相關系數矩陣的特征根及其貢獻率

表4 主成分及其得分系數矩陣

Y1=0.126x1-0.177x2+0.213x3-0.135x4+0.129x5+0.119x6

Y2=0.137x1+0.244x2+0.091x3+0.322x4+0.321x5+0.069x6

Y3=-0.623x1+0.194x2+0.085x3-0.078x4+0.027x5+0.678x6

式中,Y表示主成分得分，x1、x2、x3、x4、x5、x6分別表示經標準化處理后的株高、莖徑、有效莖數、單莖重、蔗莖產量、11月蔗糖分數值。將數據分別代入上述公式可得3個主成分的得分值[20-23]詳見表5。參照陸鑫等[8]和張軍科等[23]的方法，按照公式(1)計算綜合得分：

S=b1Y1+b2Y2+… +bnYn

(1)

式中,S表示綜合得分值；bn為第n個主成分對應的方差貢獻率；Yn為第n個主成分的得分。以綜合得分值大小對20份參試材料進行排序，其排序結果見表5 。

2.3 參試材料的綜合評價

參試材料的綜合得分越高，表明其綜合性狀越理想。從表5的分析結果看，云瑞15-80、云瑞15-78、云瑞15-152、云瑞15-44、云瑞15-85、云瑞15-12、云瑞15-45、云瑞15-111、云瑞15-79、云瑞15-84和云瑞15-5511份材料的綜合得分高于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，云瑞15-10和云瑞15-123的綜合得分介于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)之間，其余5份材料的綜合得分低于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)。其中云瑞15-80的綜合得分最高為0.972，居于第1位，株高、有效莖數、蔗莖產量和11月蔗糖分均超過粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，且為參試材料中的最大值，其產量與糖分得到較好的兼顧；云瑞15-78除莖徑和單莖重低于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)、11月蔗糖分低于新臺糖22號(CK2)外，其余性狀皆優(yōu)于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，其中有效莖數為參試材料中的最大值；云瑞15-152的蔗莖產量、11月蔗糖分和有效莖數均超過粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)；云瑞15-44和云瑞15-85的株高、有效莖數和蔗莖產量均超過粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，其中云瑞15-85的單莖重的單莖重優(yōu)于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)且為參試材料中的最大值；云瑞15-12、云瑞15-45、云瑞15-55、云瑞15-79、云瑞15-84和云瑞15-111等6份材料的株高、有效莖數和蔗莖產量均優(yōu)于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，其中云瑞15-45、云瑞15-55、云瑞15-79和云瑞15-111的11月蔗糖分介于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)之間；云瑞15-10和云瑞15-123的綜合得分介于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)之間；云瑞15-77、云瑞15-11、云瑞15-17、云瑞15-9和云瑞15-20等5份綜合得分值均小于粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，可以考慮不用或者淘汰。

表5 主成分得分及其綜合得分

2.4 聚類分析

基于20份參試材料的3個主成分得分，采用歐式距離、離差平方和法進行系統(tǒng)聚類分析。在歐式距離D=5.00處，20份參試材料被分成3大類。由圖1和表6可見，第Ⅰ類有7份，占參試材料的35.00 %，具有植株高大、中小莖、有效莖數適中，單產高、糖分適中等特點，可在高產或高糖創(chuàng)新種質中加以利用；第Ⅱ類有3份，占參試材料的15.00 %，其特點為中大莖、單產高，糖分比第Ⅰ類更理想，11月平均蔗糖分16.383 %，田間表現為高產高糖，重點加強利用；第Ⅲ類有10份，占參試材料的50.00 %，具有植株高大、中莖，蔗莖產量適中等特點，但糖分不很理想，可以考慮選擇性利用或者淘汰。

3 討 論

3.1 各數量性狀間的相關性分析

Pearson相關分析表明，株高與單莖重、蔗莖產量呈正相關，且與蔗莖產量達到顯著水平；莖徑與單莖重、蔗莖產量呈正相關，且與單莖重達到極顯著水平，與其它性狀呈負相關，且與有效徑數呈顯著負相關；有效莖數與蔗莖產量呈極顯著正相關等結論與陸鑫等[8]、吳建濤等[24]、劉福業(yè)等[25-26]和趙俊等[27]的研究結論一致。

圖1 大莖野生種57NG208血緣F2代創(chuàng)新種質材料主要數量性狀的系統(tǒng)聚類圖Fig.1 Clustering diagram of main quantitative characters in Yunnan's innovative S.robustum 57NG208 F2 generation

表6 3個聚類群及其性狀特征

由相關分析可知，對于有效徑數與產量和糖分性狀呈顯著或極顯著相關的重要性狀，幾乎對甘蔗所有農藝性狀都有影響，因此在選育品種或創(chuàng)新種質時，對于有效徑數相對較多的單株可優(yōu)先選擇。同時考慮到有效徑數與單莖重呈負相關，與莖徑呈顯著負相關，在甘蔗選育中淘汰有效徑數比較少的材料，選擇有效徑數適中、株型好的材料。莖徑與11月蔗糖分呈負相關，與有效徑數呈顯著負相關，在選育種質過程中，就需要對產量糖分性狀有關性狀給與適當的控制。

3.2 大莖野生種57NG208創(chuàng)新種質的綜合評價和主成分分析

大莖野生種(S.robustum)在利用過程中，需經過3～4次與生產性創(chuàng)新種質或品種輪回雜交，才能逐步克服低糖、易感根腐病、斐濟病和露菌病等不利野生特性，保留其強生勢、強耐旱性、抗倒伏、宿根性好和纖維分含量多等優(yōu)良性狀，最終篩選出符合生產要求的高產、高糖、多抗性和適應性廣的甘蔗新品種。在對大莖野生種57NG208進行系列種質創(chuàng)新過程中，對各世代材料的評價、分類和篩選，是進一步雜交利用的關鍵。甘蔗創(chuàng)新種質的綜合評價是育種工作的重要環(huán)節(jié)，甘蔗創(chuàng)新種質的優(yōu)劣是多個性狀共同作用的結果。陸鑫等[8]、吳建濤等[24]和趙俊等[27]對決定甘蔗的多個性狀作了相關研究得出，這些性狀間存在多重共線性，若直接用這些性狀進行分析評價，結果會存在較大誤差，若采用主成分綜合得分法對原始數據進行降維處理，可以達到科學客觀評價參試材料的目的。

主成分分析法由于各主成分之間是一個獨立的系統(tǒng)，彼此間不存在相關性，并且數值直觀容易分析，常被應用于種質資源的評價研究[28]。采用此法對20份參試材料進行分析，確定了產量因子、單莖重因子和糖分因子等3個主成分因子，其累計方差貢獻率達92.417 %，表明3個主成分因子能代表原始材料絕大部分的信息。采用主成分構造的綜合性狀與前人的研究有區(qū)別，如陸鑫等[8](2008)研究17份大莖野生種雜交后代的8個性狀，共選出產量因子、莖數因子和糖分因子；周會等[29](2012)對111份桂糖系列甘蔗種質資源的9個數量性狀進行主成分分析，選出糖分因子、莖徑-葉因子、莖數-葉因子和株高因子等4個主成分因子；張革民等[30]對 94份割手密為材料的7個數量性狀進行分析，選出3個主成分, 即植株因子、莖數因子和糖分因子，究其原因與所選擇群體的血緣和研究的性狀不同有關。

在主成分分析過程中，從株高、莖徑和有效莖數的特征向量值來看，在育種應用中優(yōu)先順序是有效莖數>莖徑>株高，這與周會等[29]的研究結果不一致，究其原因可能是研究的甘蔗種質數量、血緣及性狀指標的不同有關。這與趙俊等[27]在引進甘蔗種質工藝與農藝性狀的相關性及聚類分析一文中的“開展甘蔗種質資源的主成分分析與聚類分析時，由于所選的群體和研究性狀的不同，其分析與聚類結果也有所差異”是相符的。

3.3 聚類分析

在主成分分析的結果基礎上進行聚類，可有效地剔除一些無關大局的因子，用少數的主成分因子代替解釋生物學的大部分信息既能簡化統(tǒng)計又能使結果更精確[31]。通過聚類分析, 可表達各類間遺傳距離的遠近和差異大小, 是近年來研究品種資源和創(chuàng)新種質選配的較為有效的方法[32]。參考李林林等[28]的對94份苧麻種質的7個主要農藝性狀基于4個主成分進行系統(tǒng)聚類的遺傳距離閾值，對20份材料基于3個主成分進行系統(tǒng)聚類，遺傳距離閾值與其相比更小，說明各類大莖野生種57NG208血緣F2代創(chuàng)新種質間的親緣關系較近，恰好吻合表1祖代創(chuàng)新種質信息中的創(chuàng)新種質情況，除云瑞15-11、云瑞15-20、云瑞15-55、云瑞15-77、云瑞15-84、云瑞15-85等6份材料外其余材料祖代均是大莖野生種57NG208與南澗果蔗的正反交后代。

4 結 論

利用主成分分析對20份大莖野生種57NG208血緣F2代的6個主要數量性狀綜合成3個主因子，即產量因子、單莖重產量因子和糖分因子，3個主成分累計貢獻率為92.417 %，特征值總和為5.546，代表了樣本大部分信息?；谥鞒煞志C合得分對參試材料進行評價，顯示綜合性狀較好的材料有云瑞15-80、云瑞15-78、云瑞15-152、云瑞15-44、云瑞15-85、云瑞15-12、云瑞15-45、云瑞15-111、云瑞15-79、云瑞15-84和云瑞15-55 11份材料，這些材料的主成分綜合得分皆超過粵糖93-159(CK1)和新臺糖22號(CK2)，且蔗莖產量和糖分比較理想，推薦優(yōu)先利用，其次基于3個主成分，采用歐氏距離、離差平方和法對參試材料進行系統(tǒng)聚類，20份參試材料可分成3類，各個類群有其不同特點，在組合選配時可加以利用。

主成分分析和系統(tǒng)聚類分析，能較好地對甘蔗野生種質大莖野生種創(chuàng)新種質資源進行科學分析和評價，為其有效利用提供依據。但在甘蔗育種創(chuàng)新種質全面評價過程中，還應重視田間抗性、適應性等特性的鑒定。