灰色關聯度分析和主成分分析在油菜抗旱育種中的應用

李小玉， 田宏先， 王瑞霞

(山西農業大學高寒區作物研究所， 山西 大同 037008)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.，2 n=36，AABB)屬十字花科(Brassicaecea)蕓薹屬(Brassica)，一年生草本，其抗寒耐旱、耐瘠薄，粗脂肪含量高，在我國種植面積和產量占全世界的三分之一[1]。我國油菜栽培歷史悠久，總體上產量水平較低，當前油菜育種的主要目標仍是優選抗旱品種、提高產量和提升品質。山西晉北地區地形復雜，氣候特殊，蘊藏著豐富的芥菜型油菜種質資源。

干旱制約著作物的生長發育。產量的高低是植物抗旱程度最直接的表達[2]。水分脅迫嚴重影響植物的生長發育、生理和產量[3]。晉北山區地處干旱和半干旱地區，就耕地而言，有灌溉條件的為10%～15%，多為雨養農業。因此，篩選和應用抗旱品種來提高逆境下的油菜產量應是芥菜型春油菜節水栽培的重要措施之一。越來越多的學者把注意力集中在探究農作物如何抵抗干旱脅迫并提高其抗逆水平的機制上[4]。李素等[5]研究發現，油菜可以通過4種途徑來響應干旱脅迫；白鵬等[6]研究發現，油菜可以通過提高某些性狀的含量來提高干旱水平下的單株產量；大次卓嘎等[7]對西北地區芥菜型油菜產量性狀的提高進行了研究；殷婷等[8]對油菜抗旱性產量指標和抗旱品種進行篩選。

上述油菜抗旱性鑒定綜合評價多是在溫室或旱棚里進行且指標單一。為此，本試驗通過大田環境下干旱和正常澆水兩種處理，對12份芥菜型油菜種質材料從苗期到成熟期17個綜合指標進行分析，利用灰色關聯度分析法研究干旱脅迫對芥菜型油菜單株產量影響的主次關系，以期為油菜干旱脅迫下單株產量的提高提供選育性狀指標，同時利用主成分分析法對耐旱系數進行了分析，為抗旱品種選育和區域栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

選用12個芥菜型油菜品種(系)為試材，分別為牛尾梢、05-11-2、晉油6號、內蒙大黃芥、青海溴源芥、青海大辣芥、晉油14號、神池大黃芥、晉油8號、自選X0、晉油12號和晉油13號，用Ki(i=1，2，3，12)表示品種編號，分別標記為K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、K9、K10、K11和K12。

1.2 試驗設計

本試驗于2018年在山西農業大學高寒區作物研究所毛皂試驗基地進行。設正常澆水(ck)和干旱脅迫(D)兩種處理，試驗采取隨機區組設計，每小區面積12 m2，3次重復。于5月1日同時播種，對照處理在油菜抽薹期、花期和角果期分別澆透水。干旱脅迫處理在油菜整個生育期間不澆水，在5—8月間利用物聯化土壤水分溫度檢測儀(智墑ET 100)同步監測同一位置10～40 cm土壤平均水分含量(表1)。由于本年度在油菜生長期間有效降雨少，造成自然條件下的干旱脅迫。

表1 油菜生長期間干旱處理組10～40 cm土壤平均水分含量

1.3 不同性狀的測定與方法

1.3.1油菜光合生理參數的測定

參照王瑞霞等[9]的方法。

1.3.2成熟期農藝性狀的測定

考種時每個品種選取長勢基本一致的10個單株，最后取平均值。參照鄧聚龍[10]灰色系統理論測定方法，將12份油菜品種單株產量和16個主要性狀因素看作1個灰色系統，設單株產量為參考數列；盛花期測定的6個光合參數指標和考種的11個農藝性狀指標作為比較數列，用Xj(j=1，2，3，……16)表示，分別為胞間CO2濃度、氣孔導度、凈光合速率、蒸騰速率、水分利用率、氣孔限制值、株高、莖粗、有效分枝數、主軸上的角果數、全株角果數、每角粒數、千粒重、主軸長、角果長和角果寬，然后運用Excel軟件按分辨系數為0.5進行關聯度分析。

1.3.3數據處理及統計分析

灰色系統理論計算方法參照楊國浪等[11]的方法；

Xj′(Ki)=[Xj(Ki)-Xj]/Sj

(1)

Δj(Ki)=|X0(Ki)-Xj(Ki)|

(2)

εj(Ki)=[Δj(Ki)min+ρ×Δj(Ki)max]/[Δj(Ki)+ρ×Δj(Ki)max]

(3)

Xj′(Ki)為數據無量綱化結果，Xj(Ki)為原始數據，Xj為同一性狀的平均值，Sj為某一性狀的標準差，Δj(Ki)為某一品種單株產量與每個農藝性狀差值的絕對值，X0(Ki)為某一品種Ki的單株產量值，Xj(Ki)為某一品種Ki的農藝性狀，εj(Ki)表示關聯系數，Δj(Ki)表示絕對差值，ρ表示分辨系數(取值0.5)，Δj(Ki)max和Δj(Ki)min分別表示最大差值和最小差值(干旱為3.33，0.00；對照為3.62，0.02)。

耐旱系數=(干旱脅迫性狀值/非脅迫性狀值)×100%

(4)

數據分析采用Microsoft Excel 2007軟件和SPSS 22.0軟件進行。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下不同性狀與單株產量的灰色關聯度分析

干旱脅迫處理下，每個品種的單株產量與16個性狀的灰色關聯度計算結果如表2，關聯度值從大到小依次為：株高、主軸長、莖粗、主軸上角果數、全株角果數、角果寬、有效分枝數、每角粒數、千粒重、角果長、凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度、蒸騰速率和氣孔導度。

表2 各性狀與單株產量的關聯度及位次(干旱處理)

干旱脅迫下，根據各性狀與單株產量間關聯的密切程度，可將上述性狀大致分為3類：第1類是和植株生長、產量有關的農藝性狀，它們與干旱脅迫下單株產量關聯程度十分緊密；株高，可以概括為繁茂性因子。莖桿作為物質運輸的通道，直接影響植株單株籽粒的發育，進而影響植株的單株產量，所以莖桿是和單株產量相關的性狀，可以大致概括為“物質轉儲因子”。植株有效分枝數、全株的角果數、主軸上的角果數、角果長、每角粒數、千粒重等性狀可以概括為產量因子；第2類是凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度，這些指標與植株的光合生理作用息息相關，可以概括為光合生長因子，與單株產量的關聯程度較為緊密；第3類是蒸騰速率和氣孔導度，與水分散失和滲透調節作用有關，可稱為“水分和滲透調節因子”。這一結果表明，干旱脅迫下與油菜單株產量關系最為密切的是反應植株生長和產量的因子，其次是光合作用因子；它們在晉北地區芥菜型春油菜受到干旱脅迫時所受的影響最大，在優選抗旱品種時應注重株高、主軸長、主軸上角果數等性狀，干旱脅迫時，在對晉北山區芥菜型春油菜品種選育和栽培的過程中，應重點觀察與單株產量關聯密切且表現穩定的指標，如植株形態因子(有效分枝數、株高、莖粗)、產量三因素構成因子(全株有效角果數、每角粒數、千粒重)、光合生長因子(凈光合速率、氣孔限制值、水分利用率、胞間CO2濃度)，從而為篩選出適宜晉北山區生產的高產新品種。

2.2 正常灌溉下不同性狀與單株產量的灰色關聯度分析

在正常灌溉下(表3)，16個性狀和單株產量的關聯度值從大到小依次為：胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導度、有效分枝數、角果寬、主軸上角果數、氣孔限制值、莖粗、每角粒數、水分利用率、主軸長、凈光合速率、全株角果數、千粒重、角果長和株高。由此可知，和葉片氣孔有關的胞間CO2濃度、氣孔導度和蒸騰速率3個生理性狀與單株產量關聯程度十分緊密，排在前3位，其余各性狀與單株產量的關聯度小。這一結果說明，在正常灌溉下，植株通過光合作用更能有效積累有機物，從而提高單株產量。

表3 各性狀與單株產量的關聯度及位次(正常灌溉ck)

2.3 干旱脅迫下6個光合參數和10個農藝性狀之間的相關性

以干旱脅迫處理的16個性狀之一為參考數列，其他性狀為比較數列，計算關聯度和關聯系數，獲得關聯度矩陣，見表4?？梢钥闯?，與單株產量關聯密切的前9個農藝性狀中，其他農藝性狀與這9個農藝性狀關聯性表現為：和株高關聯密切的前3個性狀為：主軸長、每角粒數、主軸上有效角果數，與氣孔導度的關聯度最??；和主軸長相關密切的前4個性狀是：主軸上有效角果數、每角粒數、氣孔限制值、千粒重，其中與氣孔導度的關聯度最小；和莖粗相關密切的前6個性狀是：全株角果數、千粒重、主軸長、水分利用率、主軸上有效角果數、每角粒數，與氣孔導度的關聯度最?。缓椭鬏S上有效角果數關聯密切的5個性狀依次為：主軸長、胞間CO2濃度、株高、每角粒數、千粒重，與氣孔導度的關聯度最小；和全株角果數關聯密切6個性狀分別為：莖粗、千粒重、氣孔限制值、株高、每角粒數、主軸上有效角果數，與氣孔導度的關聯度最?。缓团c角果寬關聯密切的5個是主軸長、株高、千粒重、角果長、主軸上有效角果數，與氣孔導度的關聯度最??；和有效分枝數關聯密切的前4個性狀分別為：株高、主軸有效角果數、主軸長、莖粗，與氣孔導度的關聯度最小；和每角粒數相關密切的前5個性狀是：主軸長、千粒重、株高、水分利用率、主軸上有效角果數，與氣孔導度的關聯度最小；和千粒重相關密切的前5個是：主軸長、胞間CO2濃度、氣孔限制值、每角粒數、主軸上有效角果數，與氣孔導度的關聯度最??；通過上述分析表明，在干旱脅迫處理下，芥菜型春油菜單株產量關聯度最為密切的前3個性狀是：主軸長、主軸上有效角果數和每角粒數，聯系最不緊密的性狀是氣孔導度。研究發現，主軸長、每角粒數、千粒重和主軸上有效角果數這4個性狀是其他性狀共有的關聯度緊密因子，可以理解為這4個農藝性狀因子是干旱脅迫下與其他性狀聯系最緊密的重要性狀，進一步說明油菜單株產量的提升是多個農藝性狀因子共同作用的結果。氣孔導度與各農藝性狀聯系不緊密，光合作用的有效進行是通過葉片表面的氣孔來進行氣體的交換，吸收CO2，釋放O2，進而積累有機物，提高油菜單株產量；干旱脅迫下，葉片氣孔關閉，氣孔導度與各農藝性狀聯系不緊密源于植物長期以來對逆境的一種適應能力，通過降低蒸騰速率來保護植株度過逆境。

表4 6個光合參數和10個農藝性狀的關聯度矩陣

2.4 干旱脅迫下各指標主成分分析

為確定對芥菜型春油菜耐旱材料起主導作用的重要指標，利用SPSS 22.0軟件對干旱脅迫下17個性狀的耐旱系數進行主成分分析(見表5)。從表中看到，在干旱脅迫處理中，主成分1、2、3、4、5對耐旱系數的貢獻率分別為23.827%、23.725%、15.237%、14.328%、10.269%，累計貢獻率達到87.386%，表明在干旱脅迫處理中，前5個綜合指標覆蓋了大部分原始數據的信息，可以用這5個主成分對12份材料耐旱性進行分析。

表5 干旱主成分特征向量及貢獻率

主成分1 中載荷最高的因子為氣孔導度，其次為凈光合速率、胞間CO2濃度、水分利用率，它們反映了23.827%的原始數據信息量，這些指標主要與植物葉片的光合作用有關，將其歸為光合因子，胞間CO2濃度、氣孔導度、凈光合速率、水分利用率的增加有利于芥菜型油菜耐旱性的提高；決定第二主成分大小的主要是全株角果數、單株產量、株高與莖粗，它們反映了原始數據信息量的19.744%，全株角果數和單株產量主要與產量有關，可以大致概括為產量因子；決定第三主成分大小的是有效分枝數和主軸上角果數，這些指標可以間接反應植株的產量，也歸為產量因子；決定第四、五主成分大小的是莖粗、株高、主軸長、角果寬和角果長，這些成分都與植株生長有關，可以將其概括為生長形態因子。

3 討 論

近年來，培育高產、抗旱油菜新品種一直是育種工作者努力的方向。由于作物耐旱基因和控制產量性狀基因分屬植株不同的基因位點，因此將高產和耐旱兩性狀相結合的選育是可以實現的[12]。本研究為了避免構造理想品種各性狀的理想值時對分析造成的影響[13-14]，將6個光合參數指標和11個農藝性狀指標共同置于灰色系統中，在大田干旱和正常灌溉條件下，對12份芥菜型油菜的17個性狀進行了灰色關聯度分析。

分析結果表明，干旱脅迫下與單株產量關聯度聯系緊密的是主軸長、每角粒數、千粒重和主軸上有效角果數這4個性狀。主軸長度越長，主軸上的有效角果數相對就越多，從而增加全株角果數，也就直接提高了單株產量，這一結果與楊國浪等[11]、大次卓嘎等[7]的研究結果一致。因此在晉北區芥菜型春油菜高產育種栽培中，應加強這些性狀的優選力度。

在正常灌溉條件下，葉片氣孔相關的光合生理性狀與單株產量聯系緊密，各農藝性狀與產量聯系不緊密，其中株高與單株產量的關聯度最小，這一結果與武仙山等[15]利用株高旱脅迫系數來評價植株抗旱性時提出的觀點一致，與倪正斌等[16]的研究結果差異較大，有待繼續試驗。

作物耐旱機理非常復雜，受到遺傳和環境的雙重影響。因而利用單一評價指標無法準確評價作物對逆境的生理響應，而利用多指標隸屬函數法評價作物耐旱性時，雖能更全面地反映作物耐旱所表現的眾多耐旱相關性狀、但也存在一定的局限性[17]。近年來人們開始采用綜合評價方法來鑒定品種的耐旱性，使鑒定結果更接近品種實際的耐旱性，因此，可以利用這種方法對油菜抗旱種質和品系的特點進行分析，并為這些種質在育種中的合理利用和品系的區域適應性提供有價值的建議。

朱宗河等[17]利用綜合評價方法篩選出2個高度耐旱的甘藍型油菜種質資源。謝小玉等[18]采用綜合評價方法篩選出油菜抗旱種質評價指標。本研究主成分分析研究表明，前5個指標占比87.386%，分別為光合因子、產量因子、植株形態生長因子，這些性狀能反映絕大部分耐旱信息。結果表明，光合因子可以作為耐旱性評價指標的首選性狀因子，這一結果與白鵬等[6]的研究結論一致。鑒于此可以利用這些主成分性狀因子來鑒定當地芥菜型春油菜品種的抗旱性，進而為晉北區篩選出適宜當地種植的芥菜型油菜抗旱材料。