張凡,楊春玲,韓勇,侯軍紅

基于主成分分析和同異分析法的小麥產(chǎn)量與品質(zhì)綜合評價

張凡,楊春玲*,韓勇,侯軍紅

安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 河南 安陽 455000

本文采用主成分分析法和同異分析法綜合分析8種小麥品種產(chǎn)量與品質(zhì)等11個指標(biāo)間的關(guān)系，并作出評價。結(jié)果表明，產(chǎn)量與蛋白質(zhì)、濕面筋含量間為極顯著正相關(guān)關(guān)系，蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量間為顯著正相關(guān)；主成分分析表明：從11個性狀中可提取濕面筋含量生長因子、有效穗生長因子、吸水率生長因子3個主成分，第1主成分貢獻(xiàn)率39.170%、第2主成分貢獻(xiàn)率29.043%、第3主成分貢獻(xiàn)率15.728%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.941%；根據(jù)同異分析法得出的聯(lián)系度值大小確定了小麥品種的排序?yàn)榘阐?1、安麥1350、安麥1241、安麥13、安麥19、安麥22、安麥23和安麥1132。因此，安麥11綜合性狀優(yōu)良，可以作為小麥育種親本選配的首選材料。

小麥; 產(chǎn)量; 品質(zhì)評價

小麥?zhǔn)俏覈饕Z食作物，近年來，小麥單產(chǎn)穩(wěn)步提高，但優(yōu)質(zhì)專用型小麥呈緊缺態(tài)勢[1]。小麥產(chǎn)量和品質(zhì)，不僅受外界氣候條件的影響，親本選配、培育良種、豐富種質(zhì)資源也發(fā)揮著重要作用[2]。市場上新審定的小麥品種繁多，對其進(jìn)行綜合全面地評價，是親本選配、增強(qiáng)育種目標(biāo)性的前提[3-5]。主成分分析法是利用降維思想，提取主成分，將原來的多指標(biāo)轉(zhuǎn)換為數(shù)量較少的彼此獨(dú)立的新指標(biāo)，以揭示變量間的關(guān)系[6-7]。而同異分析法是通過將各指標(biāo)無量綱化處理，分析比較理想值與實(shí)際觀測值之間的差距，根據(jù)聯(lián)系度值的大小確定品種排序的評價方法[8]。

近年來，以主成分分析和同異分析法為主的分析方法已廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物育種中[9-14]。郝建宇等[15]利用主成分分析對黃淮麥區(qū)172個小麥品種的品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了分析和評價。宋曉等[16]利用主成分分析法篩選出了氮高效小麥品種。范君華等[17]采用同異分析法從27個棉花品種中篩選出2個綜合性狀較好的品種?？梢钥闯?，通過主成分分析法可以揭示各性狀指標(biāo)間的關(guān)系，而同異分析法有利于篩選出符合育種目標(biāo)的小麥品種。以往的研究中多集中在運(yùn)用單一分析方法對小麥的產(chǎn)量或品質(zhì)指標(biāo)作出評價[18,19]，缺乏對小麥各性狀指標(biāo)的綜合評價，不利于高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)小麥品種的篩選。本研究以近年來黃淮麥區(qū)通過審定的8個小麥品種為試驗(yàn)材料，運(yùn)用主成分分析法對其農(nóng)藝性狀（株高、生育期、容重）、產(chǎn)量（有效穗、穗粒數(shù)、千粒重）、品質(zhì)（蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時間）之間的關(guān)系進(jìn)行分析，再結(jié)合同異分析法對供試材料做出綜合全面的品種排序，旨在為小麥新品種評價提供多元化的分析方法，為親本材料選配和育種方向的優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

材料由安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供，為通過審定的8個小麥品種，其親本來源見表1。安麥1241、安麥1132數(shù)據(jù)來源于河南省種子管理站編寫的《2015-2017年度河南省小麥冬水組試驗(yàn)總結(jié)》中2年區(qū)域試驗(yàn)的平均值；安麥1350、安麥11數(shù)據(jù)分別來源于中國農(nóng)科院編寫的《2017-2019年度國家冬小麥品種聯(lián)合體黃淮冬麥區(qū)南片水地組試驗(yàn)總結(jié)》和《2018-2020年度國家冬小麥品種聯(lián)合體黃淮冬麥區(qū)南片水地組試驗(yàn)總結(jié)》中2年區(qū)域試驗(yàn)的平均值；安麥13、安麥19、安麥22、安麥23數(shù)據(jù)來源于河南省農(nóng)科院編寫的《2018-2020年度河南省小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟試驗(yàn)》中2年區(qū)域試驗(yàn)的平均值，包括農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量、品質(zhì)指標(biāo)等11個性狀值。其中產(chǎn)量、生育期、株高、有效穗、穗粒數(shù)、千粒重?cái)?shù)據(jù)由各個試驗(yàn)點(diǎn)匯總得出的平均值，容重、蛋白質(zhì)、濕面筋含量、吸水率、穩(wěn)定時間數(shù)據(jù)由國家小麥品質(zhì)檢測中心檢驗(yàn)提供。

表 1 供試小麥品種信息及親本來源

1.2 試驗(yàn)方法

各試點(diǎn)均為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，6行區(qū)種植，小區(qū)面積均大于13.3 m2，試驗(yàn)區(qū)周圍設(shè)保護(hù)行。播種量為基本苗2.7×106hm2，試驗(yàn)田管理按照國家小麥品種區(qū)域試驗(yàn)的要求進(jìn)行，次年全區(qū)收獲計(jì)產(chǎn)。全區(qū)收獲晾曬后由國家小麥品質(zhì)檢測中心進(jìn)行品質(zhì)測定。

1.3 同異分析法的試驗(yàn)分析

1.3.1 構(gòu)建小麥品種各性狀理想值及的權(quán)重根據(jù)黃淮麥區(qū)小麥生產(chǎn)特點(diǎn)與育種目的來確定小麥品種各性狀理想值。生育期、濕面筋含量、吸水率等性狀以中間值為理想值，產(chǎn)量、有效穗、千粒重、穩(wěn)定時間等性狀以最大值為理想值。根據(jù)黃淮麥區(qū)小麥生產(chǎn)特點(diǎn)與選育目標(biāo)確定各性狀的權(quán)重（W）。

1.3.2 計(jì)算同一度和綜合同一度同一度計(jì)算公式：

a：理想值越小越好時為A=X/X

b：理想值適中時為A=X/（X+|X-X|）

c：理想值越大越好時為A=XX

其中，A代表小麥品種的同一度，X代表第個小麥品種第個性狀的表現(xiàn)值，X代表第個性狀的理想值。

綜合同一度計(jì)算公式：A=∑AW

其中，A代表小麥品種的綜合同一度，A代表同一度，W代表第個性狀的權(quán)重。

1.3.3 計(jì)算差異度b和聯(lián)系度（）差異度計(jì)算公式：b=1-A，聯(lián)系度計(jì)算公式：（）=A+bi，在本試驗(yàn)中的取值為-1[19]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Office 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析，SPSS 17.0進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥品種的產(chǎn)量與品質(zhì)性狀

供試小麥品種的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量和品質(zhì)的基本數(shù)據(jù)見表2。安麥1350的產(chǎn)量最高，為8 845.5 kg/hm2，且千粒重最高（48.4 g）；安麥1132的產(chǎn)量最低（6 253.5 kg/hm2），但其構(gòu)成因子均處于中等水平；安麥13的有效穗數(shù)最多（6.075×106hm2），但穗粒數(shù)最少（33.5個），并沒有表現(xiàn)出最高產(chǎn)量。各品種的生育期集中在220 d～232 d，株高分布在71 cm～84 cm。從品質(zhì)性狀來看，安麥1132的蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量均最低，分別為11.9%和24.1%；安麥1350的蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量均最高，分別為15.6%和35.1%；安麥13和安麥23的吸水率達(dá)到優(yōu)質(zhì)專用強(qiáng)筋小麥標(biāo)準(zhǔn)（≥60.0%），安麥11的穩(wěn)定時間最長，為7.2 min，但仍沒有達(dá)到專用型小麥標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，產(chǎn)量構(gòu)成因子的協(xié)調(diào)發(fā)展與品質(zhì)指標(biāo)的提高為小麥品種改良的重點(diǎn)。

表 2 供試品種性狀的基本數(shù)據(jù)

2.2 產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)性分析

由產(chǎn)量性狀與品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析可以看出（表3），產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與千粒重呈顯著正相關(guān)，這說明千粒重的增加有助于產(chǎn)量的提高，且品質(zhì)指標(biāo)中蛋白質(zhì)含量和濕面筋含量的提高也有利于產(chǎn)量的增加，在品種選育過程中可以兼顧產(chǎn)量與品質(zhì)。濕面筋含量和蛋白質(zhì)含量之間存在顯著的相關(guān)性，這表明二者之間存在正協(xié)同效應(yīng)，濕面筋含量的提高有利于蛋白質(zhì)含量的增加。

表 3 小麥產(chǎn)量與品質(zhì)的相關(guān)性分析

注：*代表顯著相關(guān)，**代表極顯著相關(guān)。

Note: * represents significant correlation; ** represents extremely significant correlation.

2.3 各性狀的主成分分析

2.3.1 主成分的提取在主成分分析中，方差代表了各性狀的分散程度，累計(jì)貢獻(xiàn)率是提取主成分的重要依據(jù)。前7個成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率即達(dá)到100%，因此表格中舍去了貢獻(xiàn)較小的成分（表4）。由表4可知，第一主成分特征值為4.309，累計(jì)貢獻(xiàn)率為39.170%；第二主成分特征值為3.195，累計(jì)貢獻(xiàn)率為68.213%；第三主成分特征值為1.730，累計(jì)貢獻(xiàn)率為83.941%。根據(jù)特征值和累計(jì)貢獻(xiàn)率的大小，本文選取前3個成分作為主成分進(jìn)行分析。

表 4 主成分分析結(jié)果

2.3.2 主成分分析 根據(jù)特征值大于1和累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%的標(biāo)準(zhǔn)選取出了3個主成分列出（表5），可以看出，11個性狀中前3個性狀特征值的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到83.941%，這表明11個小麥性狀中的大多數(shù)相關(guān)信息可由前3個主成分來概括。在第1主成分中以濕面筋含量的特征向量值最大，其次是產(chǎn)量，說明品質(zhì)性狀中濕面筋含量對第1主成分的影響最大，其次是產(chǎn)量，因此將第1主成分稱為濕面筋含量生長因子，增加濕面筋含量，能增加其它品質(zhì)指標(biāo)（蛋白質(zhì)含量、吸水率、穩(wěn)定時間），但生育期、有效穗和容重依次降低，說明在各性狀指標(biāo)中，隨著濕面筋含量的增加，能明顯改善其它品質(zhì)性狀（蛋白質(zhì)含量、吸水率、穩(wěn)定時間），但對生育期、有效穗、容重有一定的抑制作用。第2主成分中有效穗的特征向量值最大，其次是生育期，所以把第2主成分稱為有效穗生長因子，由第2主成分的分向量值可以看出，有效穗越多，生育期延長，千粒重增加，產(chǎn)量增加，但容重降低，穗粒數(shù)減少，穩(wěn)定時間縮短，株高下降。第3主成分中吸水率的特征向量值最大，其次是容重，所以把第3主成分稱為吸水率生長因子，由分向量特征值可以看出，吸水率增加，容重和濕面筋含量增加，蛋白質(zhì)含量降低，穩(wěn)定時間縮短，穗粒數(shù)減少，產(chǎn)量下降。因此綜合考慮產(chǎn)量、品質(zhì)性狀，第3主成分均衡適中即可。

表 5 各性狀的主成分分析

2.4 同異分析法對小麥品種的綜合評價

2.4.1 確定理想值和權(quán)重系數(shù)對供試品種的產(chǎn)量與品質(zhì)性狀進(jìn)行表型變異分析（表6），結(jié)果表明，變異系數(shù)表現(xiàn)為穩(wěn)定時間＞濕面筋含量＞產(chǎn)量＞蛋白質(zhì)含量＞千粒重＞株高＞穗粒數(shù)＞有效穗＞吸水率＞生育期＞容重，穩(wěn)定時間的變異系數(shù)最大為33.28%，容重的變異系數(shù)最小為1.56。

根據(jù)黃淮麥區(qū)育種目標(biāo)和育種實(shí)踐，確定各性狀的理想值X，生育期確定為229 d，生育期太短影響籽粒產(chǎn)量形成，太長則會造成貪青晚熟，不符合品種審定標(biāo)準(zhǔn)。小麥株高不能過低或過高，太低不利于干物質(zhì)累積，影響產(chǎn)量，太高則容易造成倒伏，因此，株高定為78 cm，可兼顧產(chǎn)量與抗到性能。供試小麥品種來自河南省最北部，為選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的主產(chǎn)區(qū)，據(jù)此確定產(chǎn)量為8845.5 kg/hm2，千粒重為50.5 g，容重為805 g/L。蛋白質(zhì)含量、穩(wěn)定時間取最大值，分別為15.6%、7.2 min。

高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、農(nóng)藝性狀優(yōu)良是小麥品種選育過程中的主要關(guān)注點(diǎn)，因此在本研究中將產(chǎn)量權(quán)重系數(shù)確定為0.25，株高權(quán)重系數(shù)確定為0.13，生育期權(quán)重系數(shù)確定為0.1，容重權(quán)重系數(shù)確定為0.08。有效穗、穗粒數(shù)、千粒重為產(chǎn)量構(gòu)成三要素，指標(biāo)應(yīng)協(xié)調(diào)，權(quán)重分配系數(shù)0.05。蛋白質(zhì)含量和穩(wěn)定時間為判定優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥的重要指標(biāo)，蛋白質(zhì)含量還為營養(yǎng)性狀的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此蛋白質(zhì)含量權(quán)重系數(shù)確定為0.12，穩(wěn)定時間權(quán)重系數(shù)確定為0.1。

表 6 供試品種性狀表型變異分析

2.4.2 供試品種各性狀表現(xiàn)與理想值的同一度由表7可知，產(chǎn)量、穗粒數(shù)、千粒重、蛋白質(zhì)、濕面筋含量、穩(wěn)定時間6個性狀的同一度存在較大差異，變化幅度分別為0.7070～1.0000、0.8634～1.0000、0.7980～1.0000、0.7628～1.0000、0.8066～1.0000、0.4444～1.0000，生育期、株高、有效穗數(shù)、容重、吸水率5個性狀的同一度差異相對較小，變化幅度分別為0.9622～1.0000、0.9176～1.0000、0.9160～1.0000、0.9539～1.0000、0.9543～1.0000。

表 7 供試品種各性狀與理想值的同一度

2.4.3 各性狀的綜合同一度、差異度和聯(lián)系度 8個供試小麥品種的綜合同一度變化幅度為0.8153～0.9602（表8）。安麥1132綜合同一度最小，安麥11最大。差異度變化幅度為0.0398～0.1847，聯(lián)系度變化幅度為0.6306～0.9204。根據(jù)同異分析法，可以用聯(lián)系度的大小來反映品種的優(yōu)劣，聯(lián)系度越大，品種越優(yōu)良。由表8可以看出，8個供試小麥品種的同異分析排序?yàn)榘阐?1、安麥1350、安麥1241、安麥13、安麥19、安麥22、安麥23、安麥1132。

表 8 供試品種的同異分析

3 討 論

本研究首先采用相關(guān)性分析和主成分分析法對8個小麥品種的11個性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，小麥產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，蛋白質(zhì)含量與濕面筋含量之間顯著相關(guān)，這與未文良[20]的研究結(jié)果相同，說明小麥產(chǎn)量育種和品質(zhì)育種可以同步進(jìn)行。主成分分析法提取出3個主成分因子，第1主成分主要包含濕面筋含量、產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量等指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為39.17%，第2主成分主要包含有效穗、千粒重、生育期等指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為29.043%，第3主成分主要包含吸水率、容重、株高等指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為15.728%，由這三個主成分可以代表11個性狀反映的信息，其綜合所有性狀數(shù)據(jù)信息的能力最強(qiáng)，這與嚴(yán)圭[21]等、張立明等[22]進(jìn)行分析的方法相同。同時，本文還采用郭瑞林等[23,24]提出的同異分析法，通過建立各性狀的理想值，對品種的實(shí)際表現(xiàn)進(jìn)行綜合評判，結(jié)果表明，安麥11綜合同一度最高，為0.9602，但仍與理想目標(biāo)有0.0398的差異，可以從千粒重（同一度0.9109）、有效穗數(shù)（同一度0.9259）方面改良產(chǎn)量性狀，從蛋白質(zhì)含量（同一度0.9231）、濕面筋含量（同一度0.9296）方面改良品質(zhì)性狀。供試其它品種亦可以用該方法找出與理想目標(biāo)值的差異及可供改良的性狀。8個供試小麥品種中的穩(wěn)定時間、蛋白質(zhì)含量、千粒重、濕面筋含量和穗粒數(shù)同一度差異較大，生育期、株高、有效穗數(shù)、容重和吸水率同一度差異較小。說明在品種選育過程中，育種家較為重視作物田間表現(xiàn)，而品質(zhì)性狀受到忽略，這也為育種家今后的性狀改良指明了方向。盡管同異分析法較為客觀、公正，但與DTOPSIS、模糊概率等方法計(jì)算出來的品種排序仍存在略微差異[25]，究其原因?yàn)椴煌姆治龇椒ㄆ溆?jì)算方法步驟不同，且選取的性狀指標(biāo)不盡相同。此外，本研究是利用主成分分析法和同異分析法對小麥的產(chǎn)量、品質(zhì)與農(nóng)藝性狀進(jìn)行全面分析，是兩種方法的綜合使用，結(jié)論更具有說服力，這與趙鵬濤等[26]僅對小麥品質(zhì)性狀、薛志偉[27]僅對產(chǎn)量性狀的單一性狀分析方法不同。

同異分析法理想值及權(quán)重系數(shù)的確定是該方法的關(guān)鍵步驟，關(guān)系到品種排名及綜合性狀的評定。本文中理想值及權(quán)重系數(shù)是根據(jù)黃淮麥區(qū)小麥生產(chǎn)特點(diǎn)，以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋小麥為育種目標(biāo)，參照小麥品種審定標(biāo)準(zhǔn)及小麥品質(zhì)等級劃分依據(jù)來確定的[28]。結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分別賦予產(chǎn)量、蛋白質(zhì)含量0.25、0.12的權(quán)重系數(shù)；株高關(guān)系到作物生物量的大小及抗倒伏性，賦予0.13的權(quán)重系數(shù)；穩(wěn)定時間是劃分小麥品質(zhì)等級的重要指標(biāo)，賦予0.1的權(quán)重系數(shù)；產(chǎn)量構(gòu)成因子（有效穗、穗粒數(shù)、千粒重）的權(quán)重系數(shù)均設(shè)定為0.05。本文中權(quán)重系數(shù)的確定雖然參照了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但仍含有主觀因素，下一步將探索利用同異育種智能決策系統(tǒng)軟件，并結(jié)合因子分析法，更加精準(zhǔn)、客觀地確定理想值及權(quán)重系數(shù)。

4 結(jié) 論

本研究采用相關(guān)性分析和主成分分析法對8個小麥品種產(chǎn)量與品質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系進(jìn)行分析，結(jié)果表明，產(chǎn)量與蛋白質(zhì)含量、濕面筋含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，濕面筋含量和蛋白質(zhì)含量之間顯著相關(guān)；主成分分析法將各性狀指標(biāo)提取為3個主成分因子，分別為濕面筋含量生長因子，有效穗生長因子，吸水率生長因子，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.941%；由同異分析法得出的聯(lián)系度值大小確定了小麥品種的排序?yàn)榘阐?1、安麥1350、安麥1241、安麥13、安麥19、安麥22、安麥23和安麥1132。因此，安麥11最符合黃淮麥區(qū)育種目標(biāo)，可以作為小麥育種親本選配的首選材料。

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Comprehensive Evaluation of Yield and Quality of Wheats Based on Principal Component Analysis and Similarity-Difference Analysis

ZHANG Fan, YANG Chun-ling*, HAN Yong, HOU Jun-hong

455000,

The principal component analysis and similarity-difference analysis method was used to comprehensively analyze the eleven main traits of eight wheat varieties and made a conclusion, including yield and quality traits. The results showed that there was a extremely significant positive correlation between yield and protein content with wet gluten content and there was a significant positive correlation between wet gluten content and protein content.The principal component analysis showed that three principal component factors could be extracted from eleven traits, wet gluten content factor, spikes factor, water absorption factor, with contribution rate of 39.170%, 29.043% and 15.728% separately. The cumulative contribution rate of three principal component was 83.941%. The similarity-difference analysis of elevn traits results showed that, according to the values of connection degree, the order of weight wheat varieties was Anmai 11, Anmai 1350, Anmai 1241, Anmai 13, Anmai 19, Anmai 22, Anmai 23, Anmai 1132. Thus Anmai 11 could be used as parent material firstly for wheat breeding with comprehensive character well.

Wheat; yield; quality evaluation

S512.1

A

1000-2324(2022)04-0503-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.04.001

2022-01-04

2022-05-13

財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助(CARS-03);河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)項(xiàng)目(212102110293);安陽市重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)(2022C01NY025)

張凡(1991-),女,碩士研究生,助理研究員,主要從事小麥育種及品種評價工作. E-mail:aynkyzf@126.com

Author for correspondence. E-mail:ay2529357@163.com