基于主成分分析與聚類分析的菜心品種評(píng)價(jià)

史衛(wèi)東 羅海玲 康紅衛(wèi) 農(nóng)貴雄 韋愛(ài)培

摘要 為了評(píng)價(jià)29份菜心品種的表型多樣性，對(duì)株高、開(kāi)展度、葉片數(shù)、葉重、側(cè)分枝數(shù)、主薹莖長(zhǎng)、主薹直徑、主薹重量、單株重和生物產(chǎn)量等10個(gè)表型性狀進(jìn)行了變異分析、回歸分析、主成分分析和聚類分析。結(jié)果表明，10個(gè)性狀的平均變異系數(shù)為68.02%，從大到小依次為葉重、單株重，主薹重量、開(kāi)展度、生物產(chǎn)量、側(cè)分枝數(shù)、葉片數(shù)、主薹莖長(zhǎng)、株高和主薹直徑。開(kāi)展度、葉重、主薹直徑、側(cè)分枝數(shù)和單株重與生物產(chǎn)量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平，其余性狀間均達(dá)到極顯著相關(guān)水平。經(jīng)主成分分析提取第1個(gè)主成分，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為 80.997%，特征向量包括全部指標(biāo)。依據(jù)第1個(gè)主成分貢獻(xiàn)率的大小綜合評(píng)判，選擇植株高大、單株質(zhì)量大、主薹直徑大和質(zhì)量大、葉片數(shù)較多且質(zhì)量大、側(cè)分枝數(shù)較多的菜心作為優(yōu)異品種。聚類分析分為3個(gè)類群，第1類除了生物產(chǎn)量最高外，其余9個(gè)指標(biāo)較低;第2類除了生物產(chǎn)量最低外，其余9個(gè)指標(biāo)較高;第3類生物產(chǎn)量高于第2類，低于第1類，其余9個(gè)指標(biāo)最低。該研究可為菜心品種評(píng)價(jià)及應(yīng)用提供基本信息。

關(guān)鍵詞 菜心品種;主成分;聚類分析

中圖分類號(hào) S634.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2020）24-0046-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.014

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Evaluation of Chinese Flowering Cabbage Variety by Principal Component Analysis and Cluster Analysis

SHI Weidong，LUO Hailing，KANG Hongwei et al （Institute of Vegetable，Guangxi Academy of Agricultural Sciences，Nanning，Guangxi 530007）

Abstract In order to evaluate the phenotypic diversity of 29 Chinese flowering cabbages varieties，the variation analysis，stepwise regression analysis，principal component analysis and cluster analysis were used to analyze 10 phenotypic traits. The results showed the coefficient of variation of 10 traits was 68.02%，with the order from high to low being leaf weight，plant weight，main stalk weight，range，biomass，branch，leaf number，main stalk height，height and main stalk diameter.No significant correlations existed between range，leaf weight，main stalk diameter，branch，plant weight and biomass. There were significant correlations among other traits.The results of principal component analysis showed that 10 characteristic indexes could be classified into the first principal component which cumulative contribution rate was 80.997%.According to the comprehensive evaluation of the contribution rate of the first principal component， the cabbage with higher and larger， more plant weight， more main stalk diameter and weight， more leaf number and weight and more branches was selected as excellent variety.Morphologically 29 cabbages were clustered into three groups. The first group had maximum biomass and lower value of other nine characteristics.The second group had minimum biomass and higher value of other nine characteristics.The third group had middle biomass and the lowest value of other nine characteristics. These results were useful to provide the basic information for research and application of Chinese flowering cabbages variety.

Key words Chinese flowering cabbages variety;Principal component;Cluster analysis

菜心（Brassica Campestris L.ssp.chinensis Var.utilis Tsen et Le）是華南地區(qū)種植面積大的葉菜，表型多樣性豐富，品種繁多，更新速度快，品種評(píng)價(jià)和選擇對(duì)種植者很重要。菜心食用部位是菜薹與葉片，性狀變異相對(duì)簡(jiǎn)單，常用的鑒定指標(biāo)是熟期和株色等，這種簡(jiǎn)單的分類雖然合理，但種質(zhì)鑒評(píng)的有效性和準(zhǔn)確性會(huì)有所下降。主成分分析是將多指標(biāo)線性組合為較少的綜合指標(biāo)，這些綜合指標(biāo)彼此間既不相關(guān)，又能反映原來(lái)多指標(biāo)的信息[1]已廣泛應(yīng)用于蔬菜研究[2-8]。前期利用27份菜心種質(zhì)資源進(jìn)行主成分分析的結(jié)果表明，絕大部分遺傳多樣性可用主薹因子和葉片因子來(lái)表示，這為優(yōu)異種質(zhì)資源鑒定提供了基本信息[7]，但還未能據(jù)此獲得資源的準(zhǔn)確評(píng)價(jià)結(jié)果。鑒于此，筆者對(duì)29份菜心品種進(jìn)行了主成分分析、聚類分析和綜合評(píng)價(jià)，旨在為新品種的評(píng)價(jià)及應(yīng)用提供理論依據(jù)和可行方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 29份菜心品種來(lái)源于南寧地區(qū)，材料名稱編號(hào)如下：1號(hào)（28K油青菜心王）、2號(hào)（聚緣特靚粗苔油青甜菜心）、3號(hào)（澳洲50天油青甜脆菜心）、4號(hào)（翠綠尖葉80天油青甜菜心）、5號(hào)（澳洲碧綠80天油青甜菜心888）、6號(hào)（新西蘭尖葉50天油青甜菜心）、7號(hào)（臺(tái)灣快大四九-19甜菜心）、8號(hào)（澳洲60天油青甜脆菜心）、9號(hào)（澳洲80天粗條遲花甜菜心）、10號(hào)（全能50天尖葉油青甜菜心）、11號(hào)（廣東一枝花菜心）、12號(hào)（抗熱四九菜心）、13號(hào)（香港石排全年菜心）、14號(hào)（優(yōu)選31號(hào)甜菜心）、15號(hào)（澳洲100天多芽遲花甜菜心）、16號(hào)（特純45天油青甜菜心皇）、17號(hào)（全年四九油青甜菜心）、18號(hào)（珍美45天尖葉油青甜菜心）、19號(hào)（綠寶70天菜心）、20號(hào)（80天大種遲花油青甜菜心）、21號(hào)（菜場(chǎng)68號(hào)油青甜菜心）、22號(hào)（正宗東莞50天油青甜菜心）、23號(hào)（綠美美尖葉油青甜菜心）、24號(hào)（MOO8尖葉油綠甜菜心）、25號(hào)（黃葉四九月菜心）、26號(hào)（特靚王45天尖葉油青甜菜心）、27號(hào)（508油青甜菜心）、28號(hào)（粗條80天大花油青甜菜心）和29號(hào)（桂甜菜心2號(hào)）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2018年12月份在廣西青蕓景農(nóng)業(yè)投資有限公司直播種植，每份資源5 m2，共3次重復(fù)，水肥管理和病蟲(chóng)害防治措施按照公司的田間管理進(jìn)行。

1.2.2 性狀觀察。采收期從每個(gè)品種每個(gè)重復(fù)隨機(jī)抽取5株植株，調(diào)查株高、開(kāi)展度、葉片數(shù)、葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹直徑、主薹重量、單株重、側(cè)分枝數(shù)共9個(gè)性狀。各重復(fù)在齊口期割取1 m2稱量生物產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excel 2010和SPSS 16進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。首先將數(shù)量性狀數(shù)值記入Excel分析平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)。再利用SPSS 16進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1.00的因子作為主成分，得到原始數(shù)據(jù)相關(guān)矩陣的特征值、方差貢獻(xiàn)率、累計(jì)方差貢獻(xiàn)率、成分矩陣、成分得分系數(shù)矩陣等，根據(jù)所得信息對(duì)29份品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。利用生物產(chǎn)量為依性狀，9個(gè)性狀為自性狀進(jìn)行多元回歸分析。以歐氏距離為聚類統(tǒng)計(jì)量，采用最近距離法進(jìn)行聚類分析并形成樹(shù)狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 29個(gè)參試品種10個(gè)表型性狀的變異分析 由表1可知，10個(gè)性狀的平均變異系數(shù)為68.02%，從大到小依次為葉重、單株重，主薹重量、開(kāi)展度、生物產(chǎn)量、側(cè)分枝數(shù)、葉片數(shù)、主薹莖長(zhǎng)、株高和主薹直徑，說(shuō)明菜心表型多樣性豐富，性狀變異來(lái)源不同，葉重和主薹重量等質(zhì)量性狀變異極大，是主要的變異性狀，主薹莖長(zhǎng)、株高和主薹直徑等體積性狀變異較小。

2.2 10個(gè)性狀間的相關(guān)分析及碎石圖檢驗(yàn)

在進(jìn)行PCA之前，需要進(jìn)行適應(yīng)性檢驗(yàn)，該研究使用相關(guān)系數(shù)和碎石圖檢驗(yàn)進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)。相關(guān)分析結(jié)果如表2所示。由表2可知，除了開(kāi)展度、葉重、主薹直徑、側(cè)分枝數(shù)和單株重與生物產(chǎn)量相關(guān)性未達(dá)到顯著水平之外，其余性狀間均達(dá)到極顯著相關(guān)水平，因此可繼續(xù)利用 PCA 進(jìn)行綜合分析。

根據(jù)主成分分析的一般性原則，提取主成分因子時(shí)需考慮特征值是否大于1，通過(guò)Cattell碎石檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn)等來(lái)判斷保留的主成分個(gè)數(shù)，碎石圖檢驗(yàn)結(jié)果顯示第1個(gè)主成分包含了大部分信息（圖1）。

2.3 主成分分析

利用SPSS 16對(duì)29份菜心的10個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析（表3），按照特征值均大于1的原則，提取的第1個(gè)主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為 80.997%，基本反映了所有性狀的初始信息。

各指標(biāo)的主成分初始因子載荷值見(jiàn)表4，其大小反映原始指標(biāo)與各主成分之間的相關(guān)性，其絕對(duì)值越大，對(duì)該主成分影響越大，一般認(rèn)為大于0.3 的載荷值是顯著的。因此，該試驗(yàn)提取的第1個(gè)主成分包括主薹重量、葉片數(shù)、株高、主薹直徑、單株重、主薹莖長(zhǎng)、開(kāi)展度、葉重和側(cè)分枝數(shù)等指標(biāo)，均具有較高的載荷系數(shù)，能夠很好地解釋原始性狀。

2.4 不同品種的綜合評(píng)價(jià) 用各指標(biāo)變量的主成分載荷除以主成分相對(duì)應(yīng)的特征值開(kāi)平方根，得到第1個(gè)主成分中每個(gè)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的系數(shù)，即特征向量，以特征向量為權(quán)重構(gòu)建第1個(gè)主成分與10項(xiàng)指標(biāo)的函數(shù)表達(dá)式：

F1=0.121ZX1+0.118ZX2+0.119ZX3+0.113ZX4+0.119ZX5+0.118ZX6+0.086ZX7+0.120ZX8+0.120ZX9-0.059ZX10

根據(jù)主成分計(jì)算公式，計(jì)算29份品種的綜合得分，按照得分大小排列品種順序見(jiàn)表5，據(jù)此可以選擇植株高大、單株質(zhì)量大、主薹直徑大和質(zhì)量大，葉片數(shù)較多且質(zhì)量大，側(cè)分枝數(shù)較多的菜心作為優(yōu)異品種。

2.5 不同品種的生物產(chǎn)量回歸分析 以生物產(chǎn)量為依變量，其余性狀X1～X9為自變量進(jìn)行回歸分析，得到以下產(chǎn)量回歸方程：

y=497.405-18.540X1-0.349X2-53.811X3+6.517X4+10.962X5+394.445X6+4.749X7-10.280X8+3.443X9

回歸分析表明，葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹直徑、側(cè)分枝數(shù)、主薹重量和單株重與生物產(chǎn)量正相關(guān)性較大，能夠顯著提高生物產(chǎn)量。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年

2.6 聚類分析

聚類分析結(jié)果如圖2所示，歐式距離為5時(shí)，29 份材料可分為3個(gè)類群。第1類包括7號(hào)（臺(tái)灣快大四九-19甜菜心）、8號(hào)（澳洲60天油青甜脆菜心）、10號(hào)（全能50天尖葉油青甜菜心）、11號(hào)（廣東一枝花菜心）、12號(hào)（抗熱四九菜心）、18號(hào)（珍美45天尖葉油青甜菜心）、19號(hào)（綠寶70天菜心）、24號(hào)（MOO8尖葉油綠甜菜心）、25號(hào)（黃葉四九月菜心）和26號(hào)（特靚王45天尖葉油青甜菜心）共10個(gè)品種，屬于株高低、開(kāi)展度和葉片數(shù)適中、主薹長(zhǎng)度和直徑偏小、側(cè)分枝數(shù)適中、葉重、主薹重量和單株重偏低，但

生物產(chǎn)量最高的類型。第2類包括1號(hào)（28K油青菜心王）、2號(hào)（聚緣特靚粗苔油青甜菜心）、3號(hào)（澳洲50天油青甜脆菜心）、4號(hào)（翠綠尖葉80天油青甜菜心）、5號(hào)（澳洲碧綠80天油青甜菜心888）、9號(hào)（澳洲80天粗條遲花甜菜心）、13號(hào)（香港石排全年菜心）、14號(hào)（優(yōu)選31號(hào)甜菜心）、15號(hào)（澳洲100天多芽遲花甜菜心）、20號(hào)（80天大種遲花油青甜菜心）、21號(hào)（菜場(chǎng)68號(hào)油青甜菜心）、23號(hào)（綠美美尖葉油青甜菜心）、27號(hào)（508油青甜菜心）、28號(hào)（粗條80天大花油青甜菜心）和29號(hào)（桂甜菜心2號(hào)）共15個(gè)品種，屬于植株高大茂盛、株幅最大、葉片數(shù)最多、主薹長(zhǎng)度和直徑最大、側(cè)分枝數(shù)最多、葉重、主薹重量和單株重最大，但是生物產(chǎn)量最低的類型。第3類包括6號(hào)（新西蘭尖葉50天油青甜菜心）、16號(hào)（特純45天油青甜菜心皇）、17號(hào)（全年四九油青甜菜心）和21號(hào)（菜場(chǎng)68號(hào)油青甜菜心）共4個(gè)品種，屬于株高最低、開(kāi)展度最小、葉片數(shù)最少、主薹長(zhǎng)度和直徑最小、側(cè)分枝數(shù)最少、葉重、主薹重量和單株重最低，生物產(chǎn)量高于第2類，但低于第1類。

3 結(jié)論與討論

變異系數(shù)是反映性狀變異范圍的重要指標(biāo)，前期選用27份菜心的8個(gè)性狀，其中主薹粗度、主薹重量和葉重及兩者決定的單株重具有較大的變異系數(shù)，粗度和重量相關(guān)的性狀變異可能更豐富[7]。該研究選用29個(gè)品種10個(gè)性狀得到的平均變異系數(shù)更大，葉重、主薹重量和單株重等質(zhì)量性狀變異大，表明質(zhì)量性狀變異幅度大、遺傳多樣性豐富，可能是表型多樣性變異的主要來(lái)源。株高、主薹莖長(zhǎng)和主薹直徑等體積性狀變異較小，與前期研究主薹粗度變異系數(shù)最大不同，這可能與該研究全部選用菜心品種有關(guān)，說(shuō)明這些品種表型性狀變異可能比較大，表型多樣性也比較豐富。

主成分分析將原來(lái)的多個(gè)性狀轉(zhuǎn)換為個(gè)數(shù)較少而且不相關(guān)的綜合指標(biāo)，簡(jiǎn)化表型性狀的分類工作[2]。運(yùn)用主成分分析和聚類分析判定菜心營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)差異[6]和種質(zhì)資源型多樣性變異[7]。該研究利用主成分分析第 1 主成分9個(gè)均具有較高的載荷系數(shù)且數(shù)值較大的指標(biāo)，碎石圖檢驗(yàn)結(jié)果顯示第1個(gè)主成分就包含數(shù)據(jù)集的大部分信息，相關(guān)分析也表明多個(gè)其余性狀間均達(dá)到極顯著相關(guān)水平，與前期研究8個(gè)性狀間的部分相關(guān)性達(dá)到顯著水平較一致[9]，說(shuō)明這些指標(biāo)對(duì)第 1 主成分的影響都較大，不可精簡(jiǎn)掉。

菜心通常可以按照熟性、顏色、株高、莖粗和產(chǎn)量等表型特征分類[10]。菜心品種多、更新快，因此準(zhǔn)確地鑒定和評(píng)價(jià)對(duì)種植者尤為重要，其中產(chǎn)量是重要指標(biāo)之一。生物產(chǎn)量回歸分析表明，葉重、主薹莖長(zhǎng)、主薹直徑、側(cè)分枝數(shù)、主薹重量和單株重對(duì)生物產(chǎn)量影響較大。聚類分析基本按照生物產(chǎn)量和其余9個(gè)性狀指標(biāo)變化，將29份菜心分為3類，結(jié)果清晰且簡(jiǎn)便可靠，說(shuō)明該研究所選性狀基本適合品種評(píng)價(jià)要求，便于大量菜心品種資源的綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)綜合評(píng)價(jià)得分值高低，可以選擇植株高大、單株質(zhì)量大、主薹直徑和質(zhì)量大、葉片數(shù)較多且質(zhì)量大、側(cè)分枝數(shù)較多的品種作為推廣的優(yōu)異品種。

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