菜心和芥藍表型多樣性的主成分分析與聚類分析

2020-05-25 02:58:58史衛東琚茜茜羅海玲康紅衛

西南農業學報 2020年12期

史衛東，梁勁，張力，琚茜茜，羅海玲，康紅衛

(1.廣西農業科學院蔬菜研究所，廣西南寧 530007；2.玉林市農業科學院，廣西玉林 537000)

【研究意義】菜心(BrassicarapaL. ssp.parachinensis)和芥藍(BrassicaoleraceaL. var.alboglabraBailey)分別為白菜類和甘藍類蔬菜，性喜冷涼不耐炎熱，播種面積較大，復種指數較高，生產上病蟲害發生嚴重，且經常出現先期抽薹現象，導致產量和品質下降，價格飆升。選育抗病蟲和耐熱、耐抽薹白菜類和甘藍類蔬菜品種是解決以上問題的關鍵。種質資源是選育新品種的基礎，我國的菜心和芥藍種質資源多樣性狹窄，但表型多樣性豐富，深入挖掘其表型遺傳多樣性可為育種提供重要的基礎信息。相關分析、通徑分析和關聯分析已廣泛應用于菜心和芥藍的鑒定和評價[1-8]。主成分分析法是在不損失或很少損失原有信息的前提下，將數目較多的指標簡化為新的、個數較少的綜合指標的分析方法[9]，已應用于菜心品質分析和種質資源研究[10-13]。因此，以主成分分析和聚類分析法綜合評價菜心和芥藍的表型多樣性，對深入了解菜心和芥藍表型性狀的相關性及多樣性形成機理及挖掘和利用優異蔬菜種質資源具有重要意義。【前人研究進展】已有研究表明，菜心的主要植物學性狀包括生育期、株高、開展度、葉片數、葉柄和葉片的長度寬度、葉片重量、葉色顏色、節間長、主薹高、主薹直徑、單薹重和單株重及經濟產量和薹莖/薹葉值等[4-5，14-15]，其中表型相關性與遺傳相關性具有很好的一致性，葉片數、葉片質量、葉柄質量和菜薹粗等4個性狀是影響產量的關鍵性狀[4]，與雜交種產量關聯的性狀主要為株高、葉柄長、葉長、最大葉寬、莖粗、根重、葉柄重、葉重、莖薹重和葉片數[5]。早熟菜心種質在夏秋季的大多數表型性狀均存在不同程度變異，夏季的表型性狀變異程度明顯大于秋季[16]，早熟紅菜薹品種(系)單株產量受孫薹數、主薹重和側薹重的直接正向影響，而孫薹重為負向影響[2]，紅菜薹側薹數、側薹重和孫薹數等3個性狀對單株產量的直接效應為正作用[3]，決定白菜薹單株產量的性狀有單薹重、薹長、株幅、葉片數、薹粗、株高和薹數等[8]。菜心的株高、開展度、葉片數、葉重、主薹莖長、主薹粗度、主薹重和單株重等部分性狀間呈顯著相關，其絕大部分性狀信息可用主薹因子和葉片因子表示[12]。芥藍的主要植物學性狀包括熟性、株高、開展度、主薹高、主薹橫徑、主薹重、節間長短、第一側枝位置、葉柄顏色、花瓣顏色、花蕾顏色、外葉顏色、外葉形狀、葉緣、葉面、菇葉、主薹顏色和主薹重及薹葉形狀等[7，17-20]，部分性狀間存在極顯著的遺傳差異和豐富的多樣性[20]，齊口期、株高、莖粗、開展度、葉重、薹莖重和分枝數的變異很明顯，薹莖重與葉重呈顯著相關性，齊口期與葉片數無相關性[6-7]，生物量與成熟期呈顯著正相關。【本研究切入點】蔬菜種質資源鑒定和評價是優異蔬菜資源利用的前提，但目前未見針對菜心和芥藍種質資源植物學性狀進行綜合評價的研究報道。【擬解決的關鍵問題】利用主成分分析和聚類分析法分析26份菜心和7份芥藍在大田生產條件下的表型多樣性變化情況，為其種質資源的評價、篩選及新品種選育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料包括26份菜心資源(其中，菜心資源17份，雜交組合9份，分別編號1～26)和7份芥藍資源(分別編號27～33)，均由廣西農業科學院蔬菜研究所提供，其名稱和來源見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 33份蔬菜資源均于2017年12月在廣西綠耕農業有限公司田間隨機直播，每份種植10 m2，不設重復，在灌溉、施肥和病蟲防治等方面均按照該公司的管理要求進行，以保證生長條件與大田生產一致。采收期每份材料隨機取樣10株用于測定相關指標。

1.2.2 性狀考查 16個表型性狀考查：采用米尺測量株高(地面至植株頂端高度)、開展度(俯視植株上下和左右兩個覆蓋面距離的乘積)和主薹莖長(地面至主薹頂端長度)；采用游標卡尺測量主薹最粗部位的直徑；采用電子計重秤測定葉重、臺重和單株重。葉色和薹色賦值標準：目測，1代表淺綠，2代表綠色。抗性(耐澇性、耐熱性、抗霜霉病、抗炭疽病和抗蟲性)中的抗病性和抗蟲性賦值標準：大田觀察所測植株，0代表差，1代表中，2代表強。花期性狀觀測：將齊口期至主莖終花期的整個時間段分為5期，設每期為1個性狀，其中，第一朵花開放為初花期，0～25 %開花為1/4花期，25 %～50 %開花為1/2花期，50 %～75 %開花為3/4花期，75 %～100 %開花為末花期。葉片數為全株可見葉片的數量。

表1 供試菜心和芥藍資源的名稱和配組來源

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2010進行統計，以SPSS 16.0進行主成分分析，以默認歐氏距離為聚類統計量，采用組間聯接進行聚類分析并形成樹狀圖。

2 結果與分析

2.1 菜心和芥藍資源表型性狀的變異情況

2.1.1 植物性狀的變異情況由表2可知，菜心株高和主薹莖長的變異系數(均為9.13 %)均小于10.00 %，其余8個植株性狀和芥藍10個植株性狀的變異系數均大于10.00 %；菜心和芥藍開展度的變異系數(分別為42.85 %和76.93 %)在所有植株性狀中均最大；菜心株高、開展度、葉片數和主薹莖長性狀的變異小于芥藍，其余植株性狀的變異均大于芥藍。可見，菜心和芥藍都具有較大且來源不同的表型性狀變異。

2.1.2 花期性狀菜心和芥藍的采收期是齊口花時期，相當于初花期，而其4個花期的變異系數均小于10.00 %(表2)；菜心花期的變異系數均大于芥藍，但二者的變異系數均以初花期最大(分別為9.42 %和5.29 %)，說明初花期可能是菜心和芥藍花期性狀變異的主要來源。

2.1.3 抗性性狀從表2可看出，菜心的抗蟲性和抗病性變異系數遠大于其植株性狀和花期性狀，且極差均較小；芥藍的抗蟲性變異系數僅小于開展度的變異系數，抗病性變異系數大于其所有花期性狀和多數植株性狀的變異系數，且其抗蟲性和抗病性的極差均較小。說明不同菜心和芥藍資源的抗病蟲性變異很明顯，其中抗蟲性變異大于抗病性，菜心的抗病性和抗蟲性變異大于芥藍。

2.2 菜心和芥藍資源表型性狀的相關性分析

相關性分析結果(表3)表明，菜心花期性狀的4個花期間呈極顯著正相關(P<0.01，下同)，說明其花期的一致性和整齊度很高；株高與主薹莖長、主薹直徑與主薹重呈極顯著正相關，說明株高與主薹莖長、主薹直徑與主薹重的增加趨勢一致；單株重與主薹直徑、主薹重和葉重呈極顯著正相關，葉重與開展度和主薹重呈顯著正相關(P<0.05，下同)，與葉片數呈極顯著正相關，說明主薹重和葉重增加與開展度增加具有一致性；葉片數與單株重呈正相關，但相關不顯著(P>0.05，下同)，說明葉片數對單株重的影響不明顯；葉色與臺色呈極顯著正相關，說明菜心植株顏色的一致性和整齊度很高；菜心的抗蟲性與葉片數呈極顯著負相關，與其他性狀相關不顯著，抗病性與抗蟲性呈極顯著正相關，其他性狀相關不顯著，說明菜心葉片數的增加對其抗蟲性和抗病性具有不良影響，而抗病性和抗蟲性與極大多數表型性狀無明顯關聯。

表2 菜心和芥藍資源16個表型性狀的變異情況

芥藍花期性狀的4個花期間呈極顯著正相關，說明芥藍花期的一致性和整齊度很高；株高與主薹莖長和葉重呈極顯著正相關，與葉色、薹色、抗病性和抗蟲性呈極顯著負相關，說明株高與主薹莖長和葉重的增加趨勢一致，但對葉色、薹色、抗病性和抗蟲性會產生不良影響；開展度與主薹直徑和主薹重呈顯著正相關，主薹直徑與主薹重呈極顯著正相關，說明三者間的增加趨勢一致；葉片數與花期、開展度、主薹直徑、主薹重和單株重均呈極顯著負相關，說明葉片數增加會對花期、開展度、主薹直徑、主薹重和單株重產生負面影響；葉重與株高和主薹莖長呈極顯著正相關，與開展度呈顯著負相關，說明葉重隨著株高和主薹莖長的增加而增加，但對開展度具有不良影響；單株重與花期、主薹直徑和主薹重呈極顯著正相關，與葉片數呈極顯著負相關，說明單株重隨著花期的發展及主薹直徑和主薹重的增加而增加，但對葉片數產生不良影響；葉色與臺色呈極顯著正相關，說明為芥藍植株顏色具有很高的一致性和整齊度；抗蟲性與抗病性呈極顯著正相關，與葉重呈顯著負相關，說明葉重增加對其抗蟲性和抗病性具有不良影響。綜上所述，菜心性狀間的相關性比芥藍簡單，二者的花期、株高、主薹莖長、主薹直徑、主薹重和單株重等的相關性變化趨勢一致，而開展度、葉片數、葉重、葉色、薹色、抗病性和抗蟲性等的相關性變化呈現較大差異。

2.3 主成分分析

由表4和表5可知，菜心的第一主成分特征值為5.382，對總遺傳方差的貢獻率最大，為33.64 %，對應特征向量較大的性狀為花期、葉片數、葉重、單株重和薹重，而4個花期性狀間呈極顯著正相關，可稱為花期因子；第二主成分的貢獻率為21.345 %，對應特征向量較大的性狀為主薹直徑、葉重、主薹重和單株重，反映的是主薹生長狀況，均與主薹性狀相關，可稱為主薹因子；第三主成分的貢獻率為15.811 %，對應特征向量較大的性狀為葉色和薹色，反映的是植株顏色性狀，可稱為顏色因子；第四主成分的貢獻率為10.967 %，對應特征向量較大的性狀為葉片數、主薹莖長和株高，反映的是與葉片生長相關的信息，可稱為葉片因子。前4個主成分的累計貢獻率達81.764 %，表明菜心16個表型性狀的絕大部分信息可由花期因子、主薹因子、顏色因子和葉片因子表示。

表3 菜心和芥藍資源16個表型性狀的相關性分析結果

從表4～5可看出，芥藍的第一主成分特征值為7.714，對總遺傳方差的貢獻率最大，為48.214 %，對應特征向量較大的性狀為花期、主薹直徑、主薹重和單株重，而4個花期性狀間呈極顯著正相關，可稱為花期因子，與葉片數間的負向系數較大，說明進入花期后主薹重和單株重增加會引起葉片數減少；第二主成分的貢獻率為34.941 %，對應特征向量較大的性狀為開展度、主薹重、1/2花期和3/4花期，而株高、主薹莖長和葉重的負向系數較大，表明主薹重和開展度增加會引起株高和主薹莖長降低，反映的是主薹生長狀況，可稱為主薹因子；第三主成分的貢獻率為8.277 %，對應特征向量較大的性狀為葉重和單株重，可稱為葉片因子。前3個主成分的累計貢獻率達91.382 %，表明芥藍16個表型性狀的絕大部分信息可由花期因子、主薹因子和葉片因子來表示。

綜上所述，生產上應避免菜心提早抽薹開花，以免株高和主薹莖長降低，并通過促使主薹直徑、主薹重和葉重增加而提高菜心的單株重和產量；對芥藍則避免其推遲抽薹開花，并通過促使其株高、主薹莖長、主薹直徑和主薹重增加及減少葉片數量和葉重而提高單株重和產量。

2.4 表型多樣性的綜合評價結果

將初花期、1/4花期、1/2花期、3/4花期、株高、開展度、葉片數、主薹莖長、主薹直徑、主薹重、葉重、單株重、葉色、薹色、抗病性和抗蟲性標準化后的數據依次設為X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15和X16，根據入選的特征值和特征矩陣分別構建26份菜心和7份芥藍資源的主成分線性回歸方程，再以每個主成分的方差貢獻率為權重，分別構建菜心和芥藍資源的綜合評價指數并進行排序。

菜心4個主成分的線性回歸方程為：

F1=0.390X1+0.390X2+0.376X3+0.382X4-0.187X5+0.166X6+0.252X7-0.187X8+0.015X9+0.169X10+0.253X11+0.238X12+0.162X13+0.162X14+0.093X15-0.193X16

表4 菜心和芥藍資源的特征向量、特征值、貢獻率和累積貢獻率

表5 菜心和芥藍主成分的載荷矩陣

F2=-0.189X1-0.183X2-0.226X3-0.202X4+0.143X5+0.302X6+0.129X7+0.143X8+0.448X9+0.398X10+0.346X11+0.430X12-0.013X13-0.013X14+0.159X15-0.022X16

F3=0.052X1+0.057X2+0.049X3+0.050X4+0.391X5-0.160X6-0.104X7+0.391X8-0.063X9+0.121X10-0.075X11+0.040X12+0.515X13+0.515X14+0.003X15+0.303X16

F4=0.068X1+0.056X2+0.067X3+0.090X4+0.425X5-0.166X6+0.475X7+0.425X8-0.053X9-0.140X10+0.167X11-0.004X12-0.214X13-0.214X14-0.400X15-0.251X16

芥藍3個主成分的線性回歸方程為：

F1=0.348X1+0.339X2+0.344X3+0.344X4+0.075X5+0.199X6-0.345X7+0.075X8+0.346X9+0.326X10+0.060X11+0.324X12-0.061X13-0.061X14-0.061X15-0.107X16

F2=0.027X1+0.043X2+0.113X3+0.113X4-0.393X5+0.141X6-0.064X7-0.393X8+0.002X9+0.125X10-0.276X11-0.037X12+0.382X13+0.382X14+0.382X15+0.327X16

F3=0.146X1+0.151X2-0.029X3-0.029X4+0.063X5-0.452X6+0.042X7+0.063X8-0.157X9-0.034X10+0.633X11+0.261X12+0.283X13+0.283X14+0.283X15-0.072X16

表6 菜心各主成分值和綜合評價分值排名

表7 芥藍各主成分值和綜合評價分值排名

菜心和芥藍的綜合評價指數為：

F菜心綜=0.411F1+0.261F2+0.193F3+0.134F4

F芥藍綜=0.528F1+0.382F2+0.090F3

由表6可知，菜心4號和12號的花期、主薹和葉片性狀優異，綜合評價分值較高，菜心20號和25號的花期性狀優異，菜心20號的葉片性狀優于主薹性狀，綜合評價分值較高，菜心4號、12號、25號和20號的綜合排名前4位；而其余22份菜心和芥藍資源的綜合評價分值較低，其中得分最低的菜心22號僅有葉片性狀為正值，花期、主薹和顏色分值均較低，說明其綜合性狀表現較差。由表7可知，芥藍6號和7號的花期和主薹性狀優異，芥藍5號的花期性狀優異，綜合評價分值較高；而其余4份芥藍的綜合評價分值較低，其中芥藍1號的花期、主薹和葉片性狀表現較差。

1～26為菜心資源編號(與表1對應)

2.5 聚類分析結果

分別將菜心和芥藍資源的16個表型性狀數據進行標準化處理，采用歐氏距離和組間聯接方法進行聚類分析。從圖1可看出，多數菜心資源的遺傳距離較近，表明菜心的遺傳基礎狹窄；在歐式距離15.5處，26份菜心資源可分為三大類，第一類包括菜心2號、3號、5號、6號、8號、10號、11號、15號、16號、17號、18號、19號、21號、22號和23號等15個品種，具有花期較早、植株低矮、開展度較小、葉片數較少、葉重較小、主薹莖長和直徑較小、主臺重較小、單株重較小及抗病蟲性中等特點；第二類包括菜心1號、7號、9號、13號、14號、24號和26號等7個品種，具有花期較早、植株最高、開展度較大、葉片數較多、葉重較大、主薹莖長和直徑較大、臺重較大、單株重較大及抗病蟲性中等特點；第三類包括菜心4號、12號、25號和20號等4個品種，具有花期較晚、株高較低、開展度較大、葉片數較多、葉重較大、主薹莖長較小但直徑較大、臺重較大、單株重較大、抗病性中等和抗蟲性差等特點。

從圖2可看出，在歐式距離4.5處，7份芥藍資源可分為兩大類，第一類為芥藍1號(靈山芥藍)，具有花期較早、植株低矮、開展度小、葉片數多、葉重小、主薹莖長小、直徑較小、臺重較小、單株重小及抗病蟲性和適應性強等特點，第二類為芥藍2～7號(商品種)，具有花期較晚、植株高大、開展度大、葉片數少、葉重大、主薹莖長大、直徑較大、臺重大、單株重大和抗病蟲性強等特點。

1～7為芥藍資源編號(分別與表1的27～33號對應)

3 討論

菜心和芥藍的食用部位為菜薹和葉片，本研究發現其菜薹和葉片性狀變異較明顯，其中菜心的菜薹和葉片性狀變異主要源于葉重、主薹重、單株重、開展度、主薹直徑、薹色和葉色等質量性狀和橫向性狀，而株高、主薹莖長和葉片數的變異較穩定。相反，芥藍的菜薹和葉片性狀變異主要源于株高、主薹莖長和葉片數等縱向性狀和葉片數，說明菜心和芥藍具有不同的變異性狀來源并具有相應的表型多樣性。

本研究結果表明，菜心4個花期間呈極顯著正相關，但與其他多個性狀間相關不顯著，意味著花期變異與其他性狀變異可能未同步發生，除開花初期外，其余3個花期對全生育期的影響可能不明顯。已有研究表明，菜心的葉片數、葉柄長和葉柄重、葉長、葉重、薹粗、薹長、株高及莖薹重等性狀具有相關性或關聯性[4-5，16]，其中，薹粗、葉重、葉片數和葉柄重是影響菜心產量的4個關鍵性狀，決定菜薹重的主要性狀是薹粗和葉重，其次是葉片數[4]。紅菜薹高產育種需考慮主薹重、側薹重、側薹數和孫薹數等性狀[2-3]，總葉數、薹粗、薹長和葉寬可作為菜心早熟耐熱品種田間選育的重要表型依據，其中薹粗和薹重尤其重要[16]。本研究中，菜心的開展度與單株重、葉重與開展度、葉片數和主薹重間呈顯著或極顯著正相關，主薹直徑與主薹重和單株重、單株重與主薹重和葉重呈極顯著正相關，表明菜心主薹重、葉重和菜薹直徑對單株重的貢獻較大，與徐躍進等[1]、曾國平和章崇玲[3]、佘旭東等[15]的研究結果一致。芥藍的4個花期間也呈極顯著正相關，但與菜心不同的是，其4個花期與開展度、主薹直徑、主薹重和單株重間呈顯著或極顯著正相關，花期對芥藍產量等性狀形成具有促進作用；花期與葉片數呈極顯著負相關，葉片數與主薹直徑、主薹重和單株重等呈極顯著負相關，表明芥藍的葉片數增加不利于其產量等性狀形成。可見，芥藍花期性狀與其他性狀的相關性比菜心花期性狀與其他性狀的相關性更緊密、更復雜，而芥藍的采收期處于開花初期，因此，在抽薹開花初期前加強田間管理，可能更容易獲得優質菜薹。本研究中，菜心的抗蟲性與葉片數呈極顯著負相關，抗病性除與抗蟲性極顯著相關外，與其他性狀相關不顯著，而芥藍的抗蟲性與葉重呈顯著正相關，抗病性、抗蟲性、葉色和薹色間呈極顯著正相關，與株高和主薹莖長間呈極顯著負相關，說明抗病性可能對芥藍更重要，而抗蟲性對菜心更重要。

本研究中，不論菜心或芥藍，其16個表型性狀間均具有較大的相關系數，因此，適宜用主成分分析法來揭示其變量間的關系。其中，將菜心的16個表型性狀用花期因子、主薹因子、顏色因子和葉片因子來表示，將芥藍的16個表型性狀用花期因子、主薹因子和葉片因子來表示，可簡化表達表型性狀及其相互關系，并能簡單直觀地評價其原始性狀，并最終歸納出菜心花期不宜提前、芥藍花期不宜推遲、菜心的葉片以較大為好、芥藍的葉片越小越好，二者都需要減少葉片數量和重量以增粗增重主薹的結果。本研究中的葉色和薹色是菜心的主成分因子，不是芥藍的主成分因子，表明菜心和芥藍具有顏色差異，因此，葉色和薹色可作為評價菜心表型性狀的指標。菜心的表型性狀變異系數較大但多數性狀間的相關性較弱，主成分因子對其表型性狀均有不同程度的貢獻率，而芥藍的表型性狀變異系數較小，但多數性狀間呈顯著或極顯著相關，只有6個主成分因子對其表型性狀有貢獻率，表明菜心和芥藍同為十字花科蔬菜的親緣關系較近，但其16個表型性狀的變異及相關性變化，能塑造出豐富的表型多樣性變異，為種質資源挖掘和利用提供大量的可用信息。

已有研究表明，菜心和芥藍品種在熟性、植株形態、產量和品質等方面存在明顯差異[14，19，21-22]。本研究中的26份菜心資源有品種、自交系和雜種后代之分，通過聚類分析可將其聚為三大類，其中，15份資源的表型性狀較差，聚為第一類；7份資源的花期較早，株高、主薹莖長、直徑和主薹重較大，開展度居中，聚為第二類；4份資源具有花期晚、株高較低、開展度較大、葉片數較多、主薹莖長較小、抗病性中、抗蟲性差及直徑、臺重、葉重和單株重較大等特點，聚為第三類，第二和三類均為主薹發育較好的一類，但由于菜心種質資源的多樣性較狹窄，因此仍需通過多種途徑拓寬和提高其表型多樣性水平。在綜合評價中，菜心4號和12號的花期、主薹和葉片性狀表現優異，菜心20號和25號的花期性狀表現優異，菜心20號的葉片性狀優于主薹，表明菜心的聚類分析結果與主成分分析結果一致性較好。盧宇鵬等[10]研究顯示，不同菜心品種營養品質的聚類分析與主成分分析結果基本一致，本研究結果也表明，主成分分析法可廣泛應用于菜心種質資源表型多樣性研究。本研究中的7份芥藍資源可聚為兩大類，第一類為芥藍1號(靈山芥藍)，第二類為芥藍2～7號(商品種)。綜合評價結果表明，芥藍1號的葉片和主薹性狀表現均較第二類為芥藍2～7號差，商品性狀也較差，而芥藍2～7號的商品性較好，其聚類分析結果與主成分分析的綜合評價結果一致，因此，主成分分析法也可廣泛應用于芥藍種質資源表型多樣性研究。