24份黍子材料農(nóng)藝性狀主成分和聚類分析

楊 芳，梁海燕，林鳳仙，宋曉強，鄧亞蕊，李 海

（山西農(nóng)業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所，山西大同 037008）

0 引言

糜黍，屬禾本科黍?qū)伲且环N起源于中國的傳統(tǒng)栽培作物，在中國的栽培面積和產(chǎn)量位居世界第二位，具有生育期短、耐寒、耐貧瘠等特性，是禾谷類作物中最抗旱的作物之一，在中國農(nóng)業(yè)發(fā)展歷程中占據(jù)著重要的地位，又因其籽粒有粳性糯性之分，糯性一般被稱為黍子，粳性稱為糜子[1]。

山西降雨量少、氣候干燥，地形復雜，多為丘陵山地，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件差，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以旱作農(nóng)業(yè)為主，因此糜黍生產(chǎn)在山西各地，特別是在晉北、晉西北等干旱半干旱地區(qū)，具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢和生產(chǎn)優(yōu)勢[2]。另外，糜黍作為救災備荒作物，在穩(wěn)定糧食生產(chǎn)和保障人民生活方面發(fā)揮著重要的作用[3]。因此，加強糜黍育種及栽培技術(shù)研究，對促進旱區(qū)農(nóng)業(yè)增效，農(nóng)民持續(xù)增收和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義[4-5]。

近年來，為了加快糜黍新品種的培育，實現(xiàn)糜黍豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效生產(chǎn)，很多學者對糜黍進行各方面的研究。但糜黍?qū)嶋H生產(chǎn)中仍然存在許多問題現(xiàn)，所以加快優(yōu)質(zhì)品系材料篩及新品種的選定工作顯得尤為重要[6]。

通過觀察和分析作物的主要農(nóng)藝性狀，探討作物新品系的農(nóng)藝特性，對作物新品種的選育有著重要的意義。目前一般采用差異分析、相關(guān)分析和聚類分析等多種統(tǒng)計分析方法對作物的主要農(nóng)藝性狀進行比較分析。主成分分析是考察多個變量間相關(guān)性的一種多元統(tǒng)計方法，其目的是用較小的變量去解釋原始數(shù)據(jù)中的大部分變異，更好地解釋事物內(nèi)在的規(guī)律[7]；聚類分析是根據(jù)某些數(shù)量特征將觀察對象進行分類的一種數(shù)理統(tǒng)計方法，其實質(zhì)就是將相近的樣品或變量聚在一起，將眾多觀測變量進行分類，達到降維歸類的目的[8]。這2種方法已被廣泛運用于花生[9]、大豆[10]、棉花等經(jīng)濟作物領(lǐng)域，如徐敏等[11]對早熟棉創(chuàng)新種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀進行聚類分析，將144 份種質(zhì)資源材料分為9大類群，這些類群可分別作為早熟、大鈴、抗病、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)材料加以利用。另外，在谷子[12]、小麥[13]、水稻[14]、玉米等大宗作物領(lǐng)域，也有應用主成分分析及聚類分析進行評價的研究，如賈小平等[15]對42個谷子品種9個農(nóng)藝性狀進行聚類分析，將其分為2大類，反映了谷子群體某些性狀的遺傳差異。但是對于黍子的主成分及聚類分析較少，因此，本研究以此為切入點，以山西農(nóng)業(yè)大學高寒作物研究所培育的24 份黍子品系材料為試驗材料，對主要農(nóng)藝性狀進行差異分析、主成分分析和聚類分析，綜合評價這24 份材料，其相關(guān)分析結(jié)果可為篩選培育出綜合性優(yōu)良品系提供思路，也可為本區(qū)域試驗或品種審定和推廣提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗的24份黍子資源（表1）均為山西農(nóng)業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所品系材料。

表1 2019、2020年24份黍子試驗材料

1.2 試驗設計

試驗在山西省農(nóng)業(yè)大學高寒區(qū)作物研究所毛家皂試驗基地進行。

試驗隨機區(qū)組排列，重復3次。小區(qū)面積10 m2(2 m×5 m)，行距33 cm，2019 年及2020 年均在5 月27 日整地，6 月1 日播種，10 月2 日收獲。播種前整地澆水1次，中耕除草2次，各項田間管理措施按常規(guī)實施。成熟期（全田大約2/3 植株變黃）時，取各小區(qū)有代表性的5株植株進行考種，考察株高、穗長、基莖粗、公頃產(chǎn)量等10個農(nóng)藝性狀，以小區(qū)實收計產(chǎn)。

1.3 統(tǒng)計方法與數(shù)據(jù)處理

本研究利用數(shù)據(jù)軟件Microsoft Excel2010和SPSS 22.0對所測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析以及圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計

本試驗通過對選取的24 份黍子材料的株高、穗長、基莖粗、公頃產(chǎn)量等10個農(nóng)藝性狀2年數(shù)據(jù)的平均數(shù)進行描述性統(tǒng)計，結(jié)果如表2 所示。10 個黍子農(nóng)藝性狀均有不同程度的差異，株高平均值為121.95 cm，變化范圍為97.4～146.8 cm；穗長平均值為32.59 cm，變化范圍為26.4～38.1 cm；基莖粗平均值為0.62 cm，變化范圍為0.5～0.8 cm；主莖節(jié)數(shù)平均值為7.44，變化范圍為6.4～8.2；穗重平均值為8.41 g，變化范圍為5～12.2 g；穗粒重平均值為6.43 g；變化范圍為3.8～9.6 g；千粒重平均值為8.01 g，變化范圍為7.1～10 g；小區(qū)產(chǎn)量平均值為3.06 kg，變化范圍為2.4～3.8 kg；折合產(chǎn)量平均值為3070.05 kg/hm2，變化范圍為2446.5～3843 kg/hm2；生育期平均值為96.17 天，變化范圍為86～102 天。其中穗重和穗粒重的變異程度最大，分別為26.15%和27.77%；而生育期和主莖節(jié)數(shù)2 個性狀方面變異程度較小，分別為3.76%和5.65%。結(jié)果表明，在24份供試材料中，生育期及主莖節(jié)數(shù)變異幅度不大，而產(chǎn)量相關(guān)性狀變異幅度較大，各性狀變異幅度的存在為優(yōu)質(zhì)資源的篩選創(chuàng)造了條件。

表2 描述性統(tǒng)計表

2.2 主成分分析

經(jīng)過對數(shù)據(jù)進行KMO 檢驗和Bartlett 球度檢驗，結(jié)果如表3所示。KMO值為0.534，根據(jù)KMO度量標準，原始變量適合進行因子分析。且Bartlett球度檢驗得出的相伴概率為0.000，小于顯著性水平0.05，因此拒絕Bartlett球度檢驗的零假設，認為變量間存在較強的相關(guān)性。驗證結(jié)果表明，本試驗數(shù)據(jù)符合因子分析。

表3 KMO與Bartlett檢驗

對這10個性狀數(shù)據(jù)采用主成分分析法進分析，各個主因子的特征值、累積貢獻率如表4 所示。從表中可以看出，前4 個因子變量的特征值均大于1，并且經(jīng)過最大方差旋轉(zhuǎn)后它們的方差貢獻率分別為25.21%、24.478%、20.841%、14.372%，累計方差貢獻率達到84.9%，即這4 個因子已經(jīng)把24 份黍子材料的10 項農(nóng)藝性狀的絕大部分信息反映出來，因此可以選取這4個公因子代替原有的10個性狀進行下一步分析。

表4 不同材料農(nóng)藝性狀主成分總方差貢獻率

進一步得出成分得分系數(shù)矩陣，如表5所示。

表5 成分得分系數(shù)矩陣

從表中可看出第一公因子F1主要是穗粒重、粒重和千粒重3 個因子綜合作用的指標；第二公因子F2主要是株高、穗長和基莖粗3個因子綜合作用的指標；第三公因子F3主要是小區(qū)產(chǎn)量和折合公頃產(chǎn)量2個因子作用的指標；F4主要是生育期、主莖節(jié)數(shù)的2個因子作用的指標。

假設X1～X10依次為株高、穗長、基莖粗、主莖節(jié)數(shù)、穗重、穗粒重、千粒重、小區(qū)產(chǎn)量、折合產(chǎn)量和生育期。

由此可得出24 份黍子品系材料農(nóng)藝性狀各公因子的得分公式，見式(1)～(4)。

再根據(jù)4個公因子旋轉(zhuǎn)后的方差貢獻率及對應的公因子得分計算公式，即可得出Fz，即各材料綜合評價得分公式見式(5)。

以此得出24份黍子材料綜合評分如表6所示（按評分降序排列）。

表6 24個黍子品種綜合得分情況

2.3 聚類分析

聚類分析是研究樣本與指標分類問題的一種統(tǒng)計方法，已經(jīng)被廣泛地應用于各個領(lǐng)域。聚類分析根據(jù)相似性較高的特性可以把樣本或指標分為幾類，使得類內(nèi)個體具有較高的同質(zhì)性，類間個體具有較大的差異性。

本試驗針對24 份黍子材料10 個農(nóng)藝性狀進行聚類分析，并根據(jù)聚合系數(shù)來確定最優(yōu)系統(tǒng)聚類類別數(shù)，如表7和圖1可得出此次聚類分4類效果最好。

圖1 聚合系數(shù)折線圖

表7 凝聚計劃

如圖2所示，當歐氏距離=10時，24份黍子材料分4類，序號21、23綜合為一類，序號11、19、15、18、17、8、24、10、20、16、22、3、5、6、9 為二類，序號為2、4、7、1 為三類，序號12、13、14為四類。

圖2 系統(tǒng)聚類譜系圖

再對聚類進行OLAP 多維數(shù)據(jù)分析，得出OLAP多維數(shù)據(jù)集，如表8 所示。根據(jù)表6 的24 份黍子材料綜合得分情況和表8 的OLAP 多維數(shù)據(jù)集的4 類變量信息的平均值可得出，序號21 和23 的第一類評分最高，均分為41.78，其小區(qū)產(chǎn)量和折合產(chǎn)量最高，均值分別為3.75 kg和251.1 kg/hm2，株高、穗長和基莖粗的平均值較低，分別為114.35、29.8、0.55 cm；第二類評分次之，均分為38.48，產(chǎn)量次之，小區(qū)產(chǎn)量和折合產(chǎn)量分別為3.15 kg 和210.6 kg/hm2，而株高、穗長、基莖粗、穗重、穗粒重的平均值也較高，為121.21 cm、32.69 cm、0.61 cm、8.49 g、6.54 g；第三類評分較低為37.69，小區(qū)產(chǎn)量和折合產(chǎn)量較低，為2.78 kg、185.1 kg/hm2，但株高、穗長、基莖粗平均值最高，為141.48、35.68、0.68 cm，穗重、穗粒重、千粒重平均值也較高，分別為8.7、6.48、7.83 g；第四類材料評分、產(chǎn)量的平均值均為最低，其他生物性狀表現(xiàn)也不理想。

表8 OLAP多維數(shù)據(jù)集

3 討論

雖然目前已有不少關(guān)于作物主成分及聚類分析的研究，但大多都是集中在大宗作物以及經(jīng)濟作物的研究上，對于需求較少的黍子的相關(guān)研究較少。李星聰?shù)萚16]對30 份糜子高代矮化品系進行方差分析和聚類分析，其結(jié)果可為培育高代矮化糜子品種提供育種思路，填補了高代矮化糜子研究的空缺。陳凌等[17]對100份糜子耐低氮性進行聚類分析和主成分分析，將100份糜子分為3類并得出4個耐低氮能力最強的品種，可作為糜子氮高效育種的參考資源。閆峰等[18]對149份糜子進行主成分和聚類分析，將其分為4個類群，為黍子高產(chǎn)育種的親本選擇了原材料。袁雨豪等[19]對100份黍子耐鹽性進行主成分和聚類分析，篩選出了11份高度耐鹽品種資源。本試驗在借鑒其他科研人員的研究基礎上，利用SPSS 軟件對24 份黍子品系材料的農(nóng)藝性狀進行主成分及聚類分析，篩選出優(yōu)異品系材料，以期為當?shù)厥蜃酉乱浑A段育種研究工作提供參考。

本試驗的24份品系材料選自2019、2020年田間觀測穗重較大的單株，選株方法符合系統(tǒng)選育“優(yōu)中選優(yōu)”的思想，所以此試驗并不能完全地說明每個品系的狀況。而且，本試驗中穗重和穗粒重的變異系數(shù)較大，推測也有原因是因為參試材料在穗粒重方面表現(xiàn)還不太穩(wěn)定，還需繼續(xù)進一步的選育研究。另外，2019 年秋季因雨水較多，造成供試材料中‘97-2-1-6’、‘早雜9913-2’、‘975-9’出現(xiàn)倒伏情況，推測會對結(jié)果造成一定影響，影響情況還有待進一步研究驗證。

最后，本試驗僅從10個農(nóng)藝性狀方面入手研究24份黍子品系材料，其結(jié)果只是說明這24份材料糜子在農(nóng)藝性狀層面表現(xiàn)出的結(jié)果，還存在一定的局限性，為方便今后當?shù)氐氖蜃佑N工作，日后還可從細胞學、生理生化等角度深入研究，才能更加充分地發(fā)揮品系材料的作用。

4 結(jié)論

根據(jù)描述性統(tǒng)計分析可得出，24份黍子材料的10個農(nóng)藝性狀均存在一定的差異。穗重和穗粒重的變異系數(shù)最大，均在25%以上，說明24 份品系材料在穗重和穗粒重性狀上穩(wěn)定性一般，育種改良空間較大；生育期和主莖節(jié)數(shù)2 個性狀方面變異系數(shù)較小，表明在此方面育種改良空間較小。

從主成分分析結(jié)果可以看出，第一公因子F1主要是穗粒重、粒重、千粒重3 個因子綜合作用的指標，主要反映了黍子單株產(chǎn)量的大小；第二公因子F2主要是株高、穗長、基莖粗3 個因子綜合作用的指標，主要反映黍子生長性狀的情況；第三公因子F3主要是小區(qū)產(chǎn)量和折合產(chǎn)量2 個因子作用的指標，主要反映的是黍子經(jīng)濟性狀的情況，第四公因子F4主要是反映生育期、主莖節(jié)數(shù)的生理指標。另外，根據(jù)主成分分析也得出4個主成分公因子得分公式及24份材料的綜合得分情況。

根據(jù)聚類分析可得出，當歐式距離為10時，24個黍子材料歸為4類，‘201-8’和‘06-D69’為第一類，其評分及折合產(chǎn)量最高，為41.78和251.1 kg/hm2；‘973-28-2’、‘201-20’、‘21-28’、‘06-D4’、‘早雜9913-1’、‘Jul-54’、‘201-18-8’、‘8106-981-3-10’、‘974’、‘06-D-41’、‘黍21-7’、‘9721’、‘34042-287’、‘9716-28-03’、‘8305-183-3-9’為第二類，其綜合得分情況及折合產(chǎn)量較高，為38.48和210.6 kg/hm2，且株高、穗長、基莖粗生物性狀較高，穗重和穗粒重單株產(chǎn)量表現(xiàn)均較高；‘早雜9913-2’、‘97-2-1-6’、‘975-9、Y9801-2’為第三類，其評分和產(chǎn)量較低，為37.69和185.1 kg/hm2，但其株高、穗長、基莖粗等生物性狀表現(xiàn)最好，分別為141.48、35.68、0.68 cm；‘9723-28-04’、‘9752-28-05’、‘9838-28-06’為第四類，其產(chǎn)量和評分最低，各農(nóng)藝性狀表現(xiàn)均不理想。

在對2年24份黍子材料農(nóng)藝性狀的分析后可得出結(jié)果：在進行黍子育種培育工作時，第一類、二類的品系材料，因其評分及產(chǎn)量較高，且在穗重和穗粒重的改良空間較大，所以在選擇申報或者培育優(yōu)秀新品種的工作中可優(yōu)先考慮；第三類在株高、穗長、基莖粗等生物性狀方面表現(xiàn)較好，可在高稈品種或者抗倒伏品種培育工作中考慮；第四類材料各項指標均不理想，不建議進行各項育種培育工作。