甜瓜種質幼苗期主要性狀的變異性及主成分和聚類分析

高玉紅，閆生輝，陳海燕，李海倫，李曉慧

（1.鄭州職業技術學院 鄭州 450121； 2.河南省農業科學院農業經濟與信息研究所鄭州 450002； 3.河南省農業科學院園藝研究所 鄭州 450002）

甜瓜種質幼苗期主要性狀的變異性及主成分和聚類分析

高玉紅1，閆生輝1，陳海燕2，李海倫2，李曉慧2

（1.鄭州職業技術學院 鄭州 450121； 2.河南省農業科學院農業經濟與信息研究所鄭州 450002； 3.河南省農業科學院園藝研究所 鄭州 450002）

為了給甜瓜雜交育種親本的早期選擇提供理論依據，選擇有代表性的20份種質為材料，統計了幼苗期10個主要性狀的變異性，并對其進行了主成分和聚類分析。結果表明，株高、最大葉寬、地上鮮質量、根鮮質量、地上干質量、壯苗指數等7個性狀的變異系數較大，在21.45%～51.15%之間；利用主成分分析將10個性狀指標轉化為4個綜合指標，其累積貢獻率達84.76%，主成分綜合分值排序結果顯示，PV03、PV13、PV08、PV17、PV04分別占供試種質資源的前5位；以綜合成分中主要因子為指標進行聚類分析，可將20份甜瓜種質分為5類，各類間幼苗長勢和健壯程度有較大差異。因此，單從甜瓜幼苗主要性狀的角度考慮，7個變異較大的性狀指標是今后親本材料改良的重點，排在前5位的材料綜合性狀表現優良，是培育壯苗配制雜交親本的首要選擇；聚于第Ⅳ類的種質可直接被利用，根據育種目標的不同，可對第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ類種質改良后再利用。

甜瓜；幼苗性狀；變異性；主成分分析；聚類分析

中國是世界上甜瓜種植面積最大的國家之一，2015年甜瓜栽培面積為40.69萬hm2，產量1 527.1萬t[1]。近年來，隨農業結構調整，設施栽培面積不斷擴大，消費市場多元化發展日益明顯，對品種更新速度要求也日益加快。多數育種者只重視雜交組合的配制，而忽視育種材料遺傳關系的評價，特異新品種的選育受到很大限制[2]。甜瓜雜交育種有賴于親本材料的選擇和組配，對甜瓜種質的綜合評價是選擇優良親本的基礎[3]。因此，明確不同種甜瓜表型性狀的差異和進行聚類，對加速甜瓜育種進程具有重要意義。相關學者相繼以甜瓜種質的表觀性狀對其進行評價和聚類，但多集中于苗期性狀[4-5]、果實性狀[6]、熟性特征[7]等方面，幼苗期是植物生長發育的重要階段，極易受到外界環境條件的影響而導致后期產量的降低[8]。而目前有關幼苗期性狀變異性及評價的研究較少。筆者選擇20份有代表性的甜瓜種質資源，研究其苗期性狀的變異性，并進行主成分和聚類分析，以期為雜交育種親本的早期選擇提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甜瓜種質資源共20份，均由河南省農業科學院園藝研究所西甜瓜課題組近年來從全國各地收集保存，是具有一定代表性的厚皮類型自交系（表1），于2015年進行擴繁采種。

表1 20份供試甜瓜種質資源

1.2 試驗設計

試驗在河南省農業科學院人工氣候室內進行。選取籽粒飽滿、大小一致的種子，浸種催芽后播種于盛有混合基質（V蛭石∶V珍珠巖=1∶1）的 32孔穴盤中。設置晝溫22～28℃，夜溫16～18℃，每天光照時間14 h，日光燈補光3 000 lx。子葉展開后澆1/2劑量的山崎黃瓜配方營養液，第2片真葉展開后，選整齊一致幼苗的穴盤放于裝有1個劑量山崎甜瓜配方營養液的水培槽中。試驗期間，3 d更換1次營養液，待幼苗長到4葉1心時，每個處理隨機取5株進行相關形態指標的測定，每個處理均設置3次重復。

1.3 測定項目與方法

株高（根莖相交處到最高生長點的長度）、莖粗（子葉下約1 cm處）、地上部鮮質量和干質量及根鮮質量和干質量（將稱量完鮮質量的甜瓜植株地上部和根系在105℃下殺青30 min，再在80℃恒溫下烘干至恒重）、最大葉長、最大葉寬、葉片葉綠素a/b和葉綠素(a+b)/類胡蘿卜素[9]；并計算壯苗指數=(根鮮質量/地上部鮮質量+莖粗/株高)×全株鮮質量。

1.4 統計分析

采用Excel 2007和DPS 7.05軟件對數據進行統計分析，聚類分析采用離差平方和法。

2 結果與分析

2.1 甜瓜種質幼苗期主要性狀的變異性

供試種質幼苗期10個主要性狀值及變異情況如表2。除莖粗、葉長的變異系數為8.64%、10.96%外，其他性狀的變異系數均在15%以上。株高、葉寬、地上鮮質量、根鮮質量、地上干質量、壯苗指數等7個性狀的極差值達相同性狀最小種質的1倍以上，變異系數在21.45%～51.15%。即使極差相對較小的莖粗、最大葉長、葉綠素含量也達最小種質的43.83%、56.66%、75.51%。說明供試甜瓜種質資源各具特點，差距明顯。因此，可選擇幼苗期變異較大的7個性狀作為主要目標進行新品種選育和改良。

表2 甜瓜種質幼苗期主要性狀的變異性分析

2.2 甜瓜種質幼苗期主要性狀的主成分分析

對20份甜瓜種質幼苗期10個主要性狀進行主成分分析，以特征向量值大于1為標準，可將10個性狀歸為4個主成分（表3）。這4個主成分的累積貢獻率可達84.76%，說明這4個主成分代表了所選甜瓜種質幼苗期主要性狀的絕大部分信息。其中，第1主成分對總方差貢獻率最大，達42.17%，其對應特征向量值中絕對值較大的性狀是地上干質量、壯苗指數；第2主成分貢獻率為17.67%，其對應特征向量值中絕對值較大的性狀是最大葉長、最大葉寬；第3主成分貢獻率為13.33%，其對應特征向量值中絕對值最大的性狀是株高；第4主成分貢獻率為11.59%，其對應特征向量值中絕對值最大的性狀是莖粗。結果表明，地上干質量、壯苗指數、最大葉長、最大葉寬、株高、莖粗等6個指標是影響所選甜瓜種質幼苗期性狀的主要因子。

表3 甜瓜種質幼苗期主要性狀的主成分分析

通過每個主成分乘以各自權重值（方差貢獻率）得到綜合得分，對供試種質進行綜合評價。由表4可見，單從幼苗期綜合性狀來看，PV03、PV13、PV08、PV17、PV04分別占供試種質資源的前5位。表明這5份種質幼苗期綜合性狀表現優良，可優先選擇作為育種材料。

表4 不同甜瓜種質主成分分值結果

2.3 甜瓜種質幼苗期主要性狀的聚類分析

以主成分分析得到的3個主成分中的6個重要性狀為指標，采用系統聚類法對20份甜瓜種質進行聚類分析，可將其分為Ⅴ類（圖1）。其中，第Ⅰ類包含 PV01、PV18、PV06、PV15、PV19 等 5 份材料，占25.0%，其主成分的得分居于第11～第15位；第Ⅱ類包含 PV07、PV20、PV14、PV16 等 4 份材料，占20.0%，其主成分的得分分別居于第6～第10位；第Ⅲ類包含 PV09、PV10、PV11、PV12 等 4 份材料，占25.0%，其主成分的得分分別居于第17～第20位；第Ⅳ類包含 PV03、PV17、PV08、PV04、PV13、PV05等6份材料，占30.0%，其主成分的得分分別居于第1～第7位；第Ⅴ類包含PV02等1份材料，占5.0%，其主成分的得分居于第12位。

圖1 20份甜瓜種質材料聚類

各類群6個主要性狀的平均值如表5。第Ⅰ類群材料壯苗指數、莖粗均居中上水平，其他指標中等，表明該類型種質幼苗生長發育中等，且生長健壯，不宜造成徒長。第Ⅱ類群材料株高、最大葉長最大，地上鮮質量、地上干質量居中上等，表明該類群種質幼苗地上部生長較快，健壯程度中等。第Ⅲ類群材料株高居于中上等，其他指標均居于中下等水平，表明該類型種質幼苗長勢較弱，易造成徒長苗。第Ⅳ類群材料株高、最大葉長、最大葉寬居于中下等，其他指標居于中下等水平，表明該類型種質幼苗生長發育快，且生長健壯不宜造成徒長。第Ⅴ類群材料最大葉寬、最大葉長、葉綠素含量、根干質量、根鮮質量居于最中上等水平，其他指標居于中下等，表明該類型種質幼苗生長發育較慢，但根系和葉片生長發育較快，其后期光合作用和對營養物質的吸收能力較強。

表5 各類群農藝性狀的平均值

3 討論與結論

幼苗期性狀的差異是作物特異性表現早期選擇的重要途徑之一[10]。筆者對20份甜瓜種質資源幼苗期10個主要性狀進行統計分析，結果表明，供試甜瓜種質主要性狀間均具有一定的差異性，說明20份甜瓜種質間存在豐富的遺傳多樣性，在一定程度上反映了不同種質自身的遺傳特性及其對環境的適應能力存在較大差異，利用這種差異可進行苗期優良性狀的早期選擇，這與蘇艷等[4]的研究結果相似。不同性狀的變化幅度和變異系數均差異較大[11]，與其他性狀相比，株高、葉寬、地上鮮質量、根鮮質量、地上干質量、壯苗指數等7個性狀的變化幅度和變異系數均較大，分別超過100.0%、20.0%，說明這7個性狀具有較大的改良空間。這可能與幼苗期性狀受不同基因調控和對環境敏感程度有關，具體原因還有待于進一步研究。

利用主成分分析法，評價種質各綜合指標的主成分，可為合理選配親本及快速篩選評價指標提供理論依據[12]。本試驗主成分分析結果顯示，第1主成分值對應特征向量值中絕對值較大性狀是地上干質量、壯苗指數，與幼苗的生長健壯程度有關。其中，地上干質量反映幼苗對養分的利用情況，是植物生長最常用、最直觀的指標之一[13]；壯苗指數則能客觀反映幼苗生長狀況和質量，其值越大，幼苗質量越好[14]。第2主成分值對應特征向量值中絕對值較大性狀是最大葉長、最大葉寬，反映葉片生長狀況的指標，在一定限度內，適當增加葉面積可提高幼苗葉片凈光合速率[15]，為后期產量的提高提供基礎。第3、第4主成分值對應特征向量值中絕對值較大性狀是株高和莖粗，是反映作物接受營養和健康狀況的重要指標，在莖粗一定的條件下，植株生長過高則易造成徒長苗，反之則會形成矮化苗，只有2者保持適當比例才能形成壯苗。通過主成分綜合分值對供試種質進行綜合評價，PV03、PV13、PV08、PV17、PV04共5份種質綜合表現優良，是培育壯苗甜瓜品種配置雜交親本的首要選擇。

根據作物種質資源綜合評價的結果，將性狀相似的聚為一類，可為育種取材提供客觀依據，有效加速育種進程[16-17]。筆者以幼苗期主要性狀參數為指標，對20份甜瓜種質進行聚類分析，將其分成5類，第Ⅰ類群幼苗生長發育中等，且生長健壯，不宜造成徒長；第Ⅱ類群幼苗地上部生長較快，健壯程度中等；這2大類綜合性狀一般，可將個別材料的一些特殊優良性狀進行親本改良后再利用。第Ⅲ類群幼苗長勢較弱，易造成徒長苗，該類種質育苗過程對環境的條件要求較高，利用價值不大。第Ⅳ類群幼苗生長發育快，且生長健壯不宜徒長，該類幼苗綜合表現優良，可優先用于新品種選育的親本材料；第Ⅴ類群材料幼苗生長發育較慢，但根系和葉片生長發育較快，其后期光合作用和對營養物質的吸收能力較強，該類幼苗綜合表現一般，但具有根系發達和葉片光合能力較強的特性，可作為特異種質進行利用。筆者借助系統的聚類分析，使性狀相近的聚為一類，結果相對穩定、可靠，但涉及性狀較多，個別特異性狀間的差異可能會被其他性狀掩蓋，造成聚類群與主成分因子得分排序間的結果不完全一致。因此，還需進一步探索多個性狀因子之間的相關性，消除各指標間的相互干擾，提高聚類分析的準確性。

幼苗素質是決定產量和品質的重要因素，相關學者對甘蔗、油菜、大豆等[18-20]作物的研究認為苗期性狀與產量、品質具有一定的相關性。高產、優質是甜瓜育種最終目標，培育壯苗是甜瓜高產、優質的基礎。但甜瓜的生育期較長，僅根據幼苗期主要性狀進行評判有一定的局限性，還需進一步開展甜瓜不同生育期表觀性狀評價的研究，并將其與幼苗期評判結果進行相關性分析，可在較短的時間內對后期產量和品質進行估測，為提高早期評判的準確性奠定理論基礎。

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Principal component and cluster analysis on variabilities of main characters at seedling stages of melon

GAO Yuhong1,YAN Shenghui1，CHEN Haiyan2,LI Hailun2,LI Xiaohui2
（1.Zhengzhou Techincal College,Zhengzhou 450121,Henan,China；2.Agricultural Economyamp;Information Research Institution,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,Henan,China;3.Institute of Horticulture,Henan Academy of Agricultural Sciences,Zhengzhou 450002,Henan,China）

In order to offer reference for early selection of hybrid parents,using 20 typical melon germplasms as materials,10 main traits of the seedling period were studied for variability,principal component analysis and clustering analysis.The results showed that the wide variation existed among the variability of plant height，maximum leaf width，above-ground fresh weight，root fresh weight,above-ground dry weight and healthy seedling index,the variation coefficient of them was between 21.45%and 51.15%,and that 10 seedling traits were classified into 4 components with their cumulative contribution of 84.76%by principal component analysis，and the synthesis score of PV03,PV13,PV08,PV17,PV04 was the first five leading in 20 germplasms.Based on the results of principal component analysis,the 20 melon germplasms were divided into 4 groups with clustering analysis,among which there were obvious differences in the growth vigor and robust degree of seedling.Therefore,according to the above results,the 7 indexes of wider variation would be screened in the process of breeding in the future,and the first 5 leading cultivars could be preferred to select in practical production.The germplasms of group IV classed could be utilized directly,and ones of groupⅠ,Ⅱ,Ⅴcould be improved in gene at frist and then used according to breeding objective.

Melon;Seedling traits;Variability;Principal component analysis;Clustering analysis

2017-05-10；

2017-09-19

河南省農業科學院自主創新項目（2017ZC22）

高玉紅，女，副教授，主要從事作物生物技術方面教學與研究。E-mail：gaoyuhong2008@163.com

李曉慧，女，助理研究員，主要從事西甜瓜育種及栽培生理研究。E-mail：lixiaohui80@126.com