基于主成分分析的油用型紫蘇新品種（系）適應性評價

趙 龍，葛平珍，于二汝，袁婷婷，何友勛，余 莉

（1.貴州省畢節市農業科學研究所，貴州 畢節 551700；2.貴州省油料研究所，貴州 貴陽 550000）

紫 蘇［Perilla frutesceus(L.) Britton］屬 唇 形 科(Labiatae)紫蘇屬(PerillaL.)一年生草本植物，具有特異芳香，是目前發現的種子油中α-亞麻酸含量較高的植物之一［1-2］；紫蘇是我國傳統藥用、食用和油用等多用途的經濟植物，廣泛分布于海拔260～2010 m、北緯20°～34°區域［3-4］。貴州地處低緯度山區，海拔差異較大，在垂直方向的氣候特點差異較大，生態環境復雜多樣。貴州紫蘇栽培歷史悠久，該省特有的喀斯特地貌使紫蘇產生了豐富的變異類型，因此貴州蘊含豐富的紫蘇地方品種和野生資源，是紫蘇的主要生產地之一［5-6］。紫蘇高產品種的選育及篩選對當前貴州紫蘇品種的大面積示范推廣有重要意義。

當前對紫蘇的研究主要集中在種子資源遺傳多樣性、營養成分、功能性成分、產量與農藝性狀相關性［6-10］等方面，其中，陳東杰等［10］用關聯性分析、回歸分析方法對15個油用型紫蘇品種的10個農藝性狀進行了分析，并以株高、有效分枝數、單株穗數為自變量，建立了單株產量的回歸方程；徐靜等［9］對貴陽和開陽2個試點209份紫蘇材料的8個農藝性狀進行了相關及回歸分析，建立了單株產量與單株穗數、主穗果數、千粒重之間的回歸方程，并得出了理想株型；張以忠等［11］對36份紫蘇的11個主要農藝性狀進行了相關和通徑分析，得出紫蘇育種應選擇株粒數多、千粒重大的品種。主成分分析是一種多變量分析方法，通過降維并選取累積貢獻率大于85%的幾個主成分，將較多的變量降維為幾個互無關系且能反映原變量信息的綜合變量。主成分分析是在農作物遺傳育種研究中應用的主要方法之一，目前已在玉米［12］、棉花［13］、谷子［14］、芝麻［15］等作物的育種研究中應用。

筆者以8個紫蘇品種為研究對象，對其全生育期、株高、莖粗、主莖節數、單株分枝數、單株總穗數、主穗長度、千粒重、單株籽粒重等9個主要農藝性狀進行了相關分析和主成分分析，并根據主成分綜合評分對8個紫蘇品種的農藝性狀進行了綜合評價，旨在為烏蒙山區綜合農藝性狀佳及高產油用型紫蘇品種的選育、篩選及示范推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試紫蘇品種為貴州省農業科學院油料研究所提供的GS2101、GS2102、GS2103、GS2104、GS2105、GS2106、GS2107、奇蘇2號（CK）等8個油用型紫蘇品種。

1.2 試驗方案

試驗地位于畢節市農業科學研究所旱作科研基地(畢節市朱昌鎮)，海拔1595.3 m，東經105°17′35″，北緯27°11′18″。試驗田前茬作物為藜麥，土質為黃壤。以每個紫蘇品種為1個處理，以奇蘇2號為對照（CK），每個處理設3次重復，小區隨機區組排列，每個小區長5.72 m，寬3.50 m，小區面積20.02 m2；紫蘇種植密度為11.4萬株/hm2。

田間栽培管理：2021年3月28日用小型旋耕機翻地（重復翻地1次）；4月5日每個小區將有機肥200 kg混合于栽培溝內；4月8日露天育苗移栽；4月17日每個小區施復合肥3 kg，起提苗、壯苗作用；4月25日除草1次；5月5日起壟，起加固定根、保濕作用。

田間記載及考種：根據《蘇子種質資源描述規范和數據標準》［16］進行紫蘇相關形態學性狀的觀測或測量；每個品種隨機選擇10株，田間記載播種期、出苗期、現序期、初花期、終花期、成熟期、全生育期、株高、莖粗、主莖節數、單株分枝數、單株總穗數、主穗長度、千粒重、單株籽粒重等性狀。

1.3 數據分析

利用Excel或WPS軟件對試驗數據進行處理；利用SPSS 22.0軟件進行相關性分析；利用DPS統計分析軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 紫蘇農藝性狀的描述性分析

紫蘇農藝性狀的描述性統計分析結果（表1）表明，8個紫蘇品種的農藝性狀存在差異，全生育期、株高、莖粗等8個農藝性狀的變異系數為1.99%～62.53%，差異顯著。不同農藝性狀的變異系數表現為單株總穗數（62.53%）＞單株分枝數（25.92%）＞單株籽粒重（15.59%）＞主莖節數（12.67%）＞株高（12.27%）＞主穗長度（11.10%）＞全生育期（9.65%）＞莖粗（3.86%）＞千粒重（1.99%）。變異系數大于15%的單株總穗數、單株分枝數和單株籽粒重受環境和基因型的影響較大，在不同品種之間具有明顯的多樣性；其余農藝性狀受環境和基因型的影響較小，其中，千粒重受環境和基因型的影響最小。

表1 紫蘇農藝性狀的描述性統計分析結果

2.2 紫蘇農藝性狀之間的相關性分析

由紫蘇不同農藝性狀之間的相關系數（表2）可知：全生育期與株高呈極顯著正相關（r=0.862），與單株分枝數呈顯著正相關（r=0.782），與千粒重呈顯著負相關（r=-0.761）；株高與單株分枝數呈極顯著正相關（r=0.845），與千粒重呈顯著負相關（r=-0.819）；單株總穗數與主穗長度呈顯著正相關（r=0.771）；單株籽粒重與莖粗呈顯著正相關（r=0.758）。上述結果表明，除主莖節數與其他性狀之間不存在顯著相關性外，在紫蘇其他農藝性狀之間均存在顯著或極顯著的相關性。

表2 紫蘇各農藝性狀之間的相關系數

2.3 紫蘇農藝性狀的主成分分析

2.3.1 Bartlett球形檢驗 經過Bartlett球形檢驗，卡方值＝80.2067，P=0.0001＜0.01，表現出顯著差異，故可以進行主成分分析。

2.3.2 主成分分析 對紫蘇的9個農藝性狀進行主成分分析，結果（表3）顯示，前3個主成分的累積貢獻率為93.159%，說明前3個主成分基本包含了全部9個指標具有的信息。

各主成分的特征向量可能在一定程度上受指標變量的量綱與數量級的影響，不宜用來綜合分析主成分，因此，采用各主成分與指標變量之間的相關系數對各主成分進行綜合分析。

各主成分與指標變量之間相關系數的計算公式為:

上式中：ρ(yj,xi)為第j個主成分yj與原來指標變量xi之間的相關系數；uji為第j個主成分yj與原來指標變量xi的特征向量；λj為第j個主成分對應的特征值。相關系數ρ(yj,xi)反映第i個指標變量xi對第j個主成分的相對重要性。

從表3和表4可知：第1主成分的特征值為4.659，貢獻率為51.764%，以全生育期、株高、單株分枝數、單株總穗數、主穗長度、千粒重、單株籽粒重的影響為主，與株高、全生育期、單株分枝數呈負相關，相關系數分別為-0.884、-0.865、-0.789，與千粒重、單株籽粒重、主穗長度、單株總穗數呈正相關，相關系數分別為0.909、0.748、0.714、0.669，可將第1主成分綜合為生長和產量因子。第2主成分的特征值為2.124，貢獻率為23.602%，以主莖節數、主穗長度、單株總穗數、莖粗的影響為主，與主莖節數、主穗長度、單株總穗數、莖粗呈正相關，相關系數分別為0.882、0.635、0.542、0.512，可將第2主成分綜合為穗型因子。第3主成分的特征值為1.601，貢獻率為17.793%，以莖粗、單株籽粒重、單株分枝數的影響為主，與莖粗、單株籽粒重、單株分枝數呈正相關，相關系數分別為0.722、0.610、0.553，可將第3主成分綜合為莖粗和產量因子。

表3 紫蘇農藝性狀主成分分析的特征值及特征向量

表4 紫蘇農藝性狀與各主成分之間的相關系數

2.3.3 紫蘇農藝性狀的綜合評價 根據各農藝性狀的標準化數據和相應的特征向量，利用下列公式計算8個紫蘇品種的3個主成分得分：

上式中：Zs1，Zs2, …，Zs9表示各指標的標準化數據；Y(i,1)、Y(i,2)、Y(i,3)分別表示第1～3主成分的得分。

再利用以下綜合評價模型計算8個紫蘇品種的綜合主成分得分：

上式中：λ1～λ3分別表示第1～3主成分的特征值；λ＝λ1＋λ2＋λ3。

從表5可以看出：第1主成分得分排名前3的品種為GS2102、GS2101、奇蘇2號，得分分別為2.403、2.105、2.101分，表明以上3個品種的全生育期較短，株高較矮，單株分枝數較少，單株總穗數較多，主穗長度較長，千粒重和單株籽粒重較高；第2主成分得分排名前3的品種為GS2102、GS2107、GS2101，得分分別為1.980、1.722、0.606分，表明這3個品種的主莖節數較多，莖較粗，單株總穗數較多，主穗長度較長；第3主成分得分排名前3的品種為奇蘇2號、GS2106、GS2103，得分分別為2.058、1.521、0.589分，表明這3個品種的莖粗較粗，單株分枝數較多，單株籽粒重較高。用單一主成分分析紫蘇的農藝性狀所得結果存在差異，利用綜合評價模型對其進行分析，得到綜合主成分得分排名前3的品種為GS2102、奇蘇2號、GS2101，得分分別為1.751、1.677、0.976分，表明以上3個品種在烏蒙山區的農藝性狀綜合表現較好。

表5 紫蘇農藝性狀的主成分得分及其排名

2.3.4 紫蘇主成分的二維排序圖 以紫蘇各農藝性狀主成分1的得分為橫坐標，以主成分2的得分為縱坐標，制作二維散點圖（圖1），可以把8個紫蘇品種大致分為三大類。第1類品種為GS2101、GS2102、奇蘇2號，此類品種的全生育期較短，植株高度適中，主莖節數適中，單株分枝較少，單株總穗數較多，主穗長度較長，千粒重和單株籽粒重較高；第2類品種為GS2103、GS2104、GS2105，此類品種的全生育期適中，植株高度較高，主莖節數較少，單株分枝數適中，單株總穗數、主穗長度、千粒重、單株籽粒重適中；第3類品種為GS2106、GS2107，其全生育期較長，植株高度較高，主莖節數和單株分枝數較多，單株總穗數較少，主穗長度較短，千粒重和單株籽粒重較低。

圖1 紫蘇第1主成分與第2主成分的二維散點圖

3 小結與討論

根據描述性統計分析、相關性分析、主成分分析結果，可以將紫蘇的9個農藝性狀降維為3個主成分，累積貢獻率為93.159%。從主成分得分可知，紫蘇綜合主成分得分排名前3的品種為GS2102、奇蘇2號、GS2101，這3個品種的綜合農藝性狀表現良好，且在二維排序中將這3個品種歸為一類，可以在烏蒙山區將以上品種作為育種資源及示范推廣用品種。