基于主成分分析和聚類分析的大白菜耐抽薹種質資源評價

肖艷　張倩倩　原讓花　常懷成　王曉玲　原靜云　徐世靜　劉學圣

摘? ? 要：為了促進大白菜優良品種的選育，對50份合抱型大白菜種質資源的開展度、株高、毛質量等10個農藝性狀進行了變異分析、相關性分析、主成分分析和聚類分析。結果表明，中心柱縱徑的變異系數為45.39%，凈質量變異系數為29.88%，球葉數變異系數為28.71%，表明這50份大白菜種質資源在產量、葉片數和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質資源的比較和篩選。相關性分析結果表明，農藝性狀指標間相關性較強，指標信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數指標對大白菜種質資源進行綜合評價。通過提取前3個主成分，特征值均大于1，同時累計方差貢獻率達75.793 9%，包含了主要農藝性狀的絕大部分信息。通過聚類分析將50份大白菜種質資源分為4類，利用主成分分析與聚類分析對大白菜種質資源農藝性狀進行考察和評價，篩選出不同用途的優良親本材料。其中，從德高秋美、天正秋白×春福皇、太太菜、五月美皇中選育出的自交系分別為4個類群中表現最優異的材料，研究結果為育種工作提供了理論基礎。

關鍵詞：大白菜；種質資源；相關性分析；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S634.1 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2023）05-037-07

Evaluation of bolting tolerant germplasm resources of Chinese cabbage based on principal component analysis and cluster analysis

XIAO Yan ZHANG Qianqian YUAN Ranghua CHANG Huaicheng WANG Xiaoling YUAN Jingyun XU Shijing LIU Xuesheng

（1. Henan Xinxiang Academy of Agricultural Sciences， Xinxiang 453000， Henan， China; 2. Henan Jinlei Seedling Co.， Ltd.， Xinxiang 453000， Henan， China）

Abstract： In order to promote the breeding of Chinese cabbage varieties， the variation， correlation， principal component analysis and cluster analysis of 10 agronomic traits， such as development degree， plant height and gross weight， were carried out in 50 germplasm resources of Chinese cabbage. The results showed that the coefficient of variation of central column longitudinal diameter， net weight and head number were 45.39%， 29.88% and 28.71%， respectively， the results showed that there were significant differences in yield， leaf number and bolting tolerance among the 50 Chinese cabbage germplasm resources， which was beneficial to the comparison and screening of germplasm resources. The results of correlation analysis showed that there was a strong correlation among the agronomic traits and the information of the traits overlapped， so the principal component analysis was suitable to extract a few indexes for comprehensive evaluation of Chinese cabbage germplasm resources. By extracting the first three principal components， the eigenvalues were all greater than 1， and the cumulative contribution rate was 75.793 9%， which contained most of the information of the main agronomic traits. Through cluster analysis， 50 Chinese cabbage germplasm resources were divided into 4 categories， and the agronomic characters of Chinese cabbage germplasm resources were investigated and evaluated by principal component analysis and cluster analysis， and the good parent materials for different purposes were screened out， Degaoqiumei，Tianzhengqiubai×Chunfuhuang， Taiaicai and Wuyuemeihuang are the best materials among the four groups.

Key words： Chinese cabbage; Germplasm resource; Correlation analysis; Principal component analysis; Cluster analysis

大白菜（Brassica pekinensis Rupr.）原產我國，栽培歷史悠久，在長期的栽培中通過自然選擇和廣大科研人員的不懈努力，培育形成了適應不同地區、不同生態類型的地方品種，種質資源十分豐富[1]。大白菜產業模式的變革使春播及高寒地區的大白菜栽培面積不斷擴大。目前，我國在耐抽薹品種選育方面起步較晚，生產上種植的這些品種多依賴日本、韓國進口，成為大白菜種業的“卡脖子”問題，突破的關鍵在于品種創新，而品種創新的關鍵在于實施種質資源的精準鑒定評價。

農藝性狀具有直觀、經濟、便于觀察及與作物的生產直接關聯等特點，是重要的作物評價指標。劉來福[2]于1979年在國內首次提出利用主成分遺傳距離度量親本間遺傳差異。針對表型性狀利用主成分分析和聚類分析進行評價，在水稻[3-4]、玉米[5]、馬鈴薯[6]、辣椒[7]、西葫蘆[8]、蕓豆[9]、甘藍[10]等作物種質資源研究中得到應用。而在大白菜上的報道較少，劉永莉等[11]、范偉強等[12]利用數量性狀主成分分析和聚類分析研究大白菜品種間的遺傳差異。

筆者以新鄉市農業科學院白菜研究所通過多年自交選育和游離小孢子培養獲得的50份合抱型大白菜種質資源為材料，調查農藝性狀，分析各農藝性狀的變異系數、相關關系，采用主成分分析和聚類分析對大白菜種質資源進行綜合評價，最終篩選出優異種質資源，該項工作對提高選育效率和育種水平具有重要的理論和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料50份，均為新鄉市農業科學院白菜研究所經過多年自交選育獲得的合抱型大白菜自交系，材料來源見表1。

1.2 方法

2020年春季進行田間鑒定，試驗地點位于河南省新鄉市農業科學院研發中心基地。2月13日，于日光溫室內穴盤育苗，每盤50穴，每個材料育苗1盤，3月15日田間定植。田間小區試驗設計為3次重復，隨機區組排列，小區面積6 m2。每份材料每個重復定植12株；采用起壟覆膜栽培，膜上定植，每壟定植雙行，株行距50 cm×50 cm，設保護行。在生長期間，及時防治病蟲危害。

5月15日統一調查株高、開展度、毛質量、凈質量、球高、球寬、外葉數、球葉數、中心柱橫徑、中心柱縱徑10個農藝性狀。農藝性狀調查標準根據GB/T 19557.5－2017《植物品種特異性、一致性和穩定性測試指南 大白菜》，每個材料每次重復調查3株，取平均值進行數據統計分析。

1.3 數據統計與分析

應用Excel2016對源數據進行統計與整理，得出各農藝性狀的平均值、標準差和變異系數等；再把數據導入DPS?數據處理系統第3版軟件，對10個農藝性狀進行相關性分析和主成分分析，提取特征值大于1的因子作為主成分，得到原始數據相關矩陣的特征值、方差貢獻率、累計方差貢獻率等，最后根據性狀的差異進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 50份大白菜種質資源主要農藝性狀變異分析

由表2可知，在50份大白菜種質資源中，不同大白菜種質資源的10個農藝性狀表現出不同程度的差異，變異系數在9.83%～45.39%，變異幅度較大。其中，中心柱縱徑的變異系數最大，為45.39%，變異幅度為4.17～19.00 cm，極差是14.83 cm；其次是凈質量，變異系數為29.88%，變異幅度為0.57～1.88 kg，極差是1.31 kg；其他性狀的變異系數從大到小依次為球葉數＞外葉數＞毛質量＞中心柱橫徑＞球寬＞開展度＞球高＞株高。結果顯示，除了株高，其他性狀的變異系數均大于10%，表明這50份大白菜種質資源在產量、葉片數和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質資源的比較和篩選。

2.2 50份大白菜種質資源主要農藝性狀指標的相關性分析

從表3可知，在50份大白菜種質資源的10個農藝性狀指標中，大白菜的開展度與株高、毛質量、球高、球寬和外葉數呈極顯著正相關；株高與毛質量、球高、球寬和外葉數呈極顯著正相關；毛質量與凈質量、球寬、球葉數和中心柱橫徑呈極顯著正相關，與球高呈顯著相關；凈質量與球寬、球葉數和中心柱橫徑均呈極顯著正相關；球高與球寬、外葉數呈極顯著正相關；球寬與球葉數呈顯著正相關；球葉數與中心柱橫徑呈極顯著正相關，與中心柱縱徑呈極顯著負相關。這表明各農藝性狀指標間相關性較強，指標信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數指標對大白菜種質資源進行綜合評價。

2.3 50份大白菜種質資源主要農藝性狀指標的主成分分析

在主成分分析的降維過程中，認為特征值≥1的主成分具有一定代表性。由表4可知，前3個主成分的特征值分別為3.714 6、2.150 6和1.714 3，均大于1，同時累計方差貢獻率達75.793 9%，包含了主要農藝性狀的絕大部分信息，因此選取前3個主成分進行分析比較可靠，而其他成分的特征值均小于1，且方差貢獻率趨于平緩（圖1），代表性不強，不提取為主成分。

由表4、5可知，第一主成分的特征值為3.714 6，貢獻率為37.145 6%，以毛質量（0.440 0）、球寬（0.412 6）、開展度（0.384 5）和株高（0.348 5）的荷載較高，其特征值均為正值，說明第一主成分綜合反映了大白菜整體植株的信息。

第二主成分的特征值為2.150 6，貢獻率為21.505 5%，以中心柱橫徑（0.483 1）、球葉數（0.376 2）和凈質量（0.366 6）的荷載較高，說明第二主成分反映的是大白菜的產量和球葉數信息。

第三主成分的特征值為1.714 3，貢獻率為17.142 8%，以中心柱縱徑（0.671 1）、外葉數（0.393 5）、球葉數（0.388 8）的荷載較高，說明第三主成分反映的是植株的耐抽薹信息。

2.4 大白菜主要性狀聚類分析

對50份大白菜種質資源的10個性狀進行聚類分析，在遺傳距離2.7處將其分為4個組群（圖2）。計算各類群性狀的平均值（表6）。

第一類群包括13份大白菜種株質，該類種質平均開展度59.36 cm，株高35.47 cm，毛質量2.38 kg，凈質量1.47 kg，球高31.19 cm，球寬21.13 cm，球葉數57.88片，中心柱橫徑4.78 cm，均是各類群最高。該類群可作為組配高產、大株型耐抽薹品種的親本材料。第二類群包括6份大白菜種質，該類種質平均中心柱縱徑17.72 cm，居各類群最高，球葉數26.00片，居各類群最少，凈質量1.09 kg。該類群耐抽薹差，產量居中，不適合組配耐抽薹品種。第三類群包括13份大白菜種質，該類種質平均開展度50.95 cm，株高29.64 cm，球葉數達51.97片，中心柱縱徑6.54 cm，該類群株型小、葉片多、耐抽薹性較好，可作為組配耐抽薹娃娃菜品種的親本材料。第四類群包括18份大白菜種質，該類群平均開展度為55.12 cm，株高33.43 cm，凈質量最低，為0.85 kg，球高29.98 cm，球寬19.33 cm，球葉數47.52片，中心柱縱徑6.99 cm。該類群屬于大株型，耐抽薹性好，結球較松，可作為組配耐抽薹品種的親本材料。

2.5 綜合評價

在聚類分析的基礎上對不同類群自交系主成分綜合得分值進行排序，從而篩選出不同用途的優良自交系，由表7可知，共分為了4個類群，其中第一類群綜合得分值最高的3個材料是德高秋美、貝貝黃和秋月黃；第二類群綜合得分值最高的3個材料是天正秋白×春福皇、特黃春×北京新三號和春福皇×貴州黃點心；第三類群綜合得分值最高的3個材料是太太菜、迷你黃和福娃娃；第四類群綜合得分值最高的3個材料是五月美皇、山地黃金和豫藝冬美。

3 討論與結論

為了加強大白菜種質資源的利用，促進優良大白菜品種的選育，筆者對50份大白菜合抱類型種質資源于春季種植進行了耐抽薹性鑒定。一般新鄉地區春季大白菜栽培定植后覆蓋小拱棚，4月5日左右拆棚。筆者于3月15日露地膜上定植大白菜材料，不搭建小拱棚，讓植株充分感受低溫。5月15日調查開展度、株高、毛質量等10個農藝性狀。

變異度分析表明，中心柱縱徑的變異系數最大，其次為凈質量，再次為球葉數，表明這50份大白菜種質資源在產量、葉片數和耐抽薹性等方面差異較大，有利于種質資源的比較和篩選。相關性分析結果表明，凈質量與球寬、球葉數和中心柱橫徑呈極顯著正相關；球高與球寬、外葉數呈極顯著正相關；球寬與球葉數呈顯著正相關；球葉數與中心柱橫徑呈極顯著正相關，與中心柱縱徑呈極顯著負相關，這與余陽俊等[13]的研究結論一致。

在大白菜耐抽薹品種育種工作中，篩選優良種質最常用的方法是將產量性狀、耐抽薹性狀及其相關的性狀進行分析評價，評價時主觀因素太多且分析比較片面。主成分分析可以將多個復雜的原始指標轉化為幾個互不相關且具有代表性的綜合指標，通過提取主要因子，可以綜合考慮多個性狀，比較客觀地篩選出優良種質[14]。在主成分分析前，先將中心柱縱徑進行正向化處理，即在該性狀數值前加負號[15]，中心柱縱徑與球葉數呈極顯著負相關，大白菜的抽薹性與開花葉片數呈極顯著相關，花芽分化較晚，抽薹較晚，開花葉片數亦最多；相反抽薹早，開花早，開花葉片數則最少[13]；一般結球率大于80%，抽薹率低于10%，短縮莖<10 cm，認為是耐抽薹性強的材料[16]。

筆者研究相關性分析的結果表明，各農藝性狀指標間相關性較強，指標信息間存在重疊，適合采用主成分分析法提取少數指標對大白菜種質資源進行綜合評價。因此，筆者的研究結果表明，前3個主成分的特征值均大于1，同時累計方差貢獻率達75.793 9%，包含了主要農藝性狀的絕大部分信息，反映出了大白菜的整體植株、產量、球葉數和耐抽薹等信息，選取前3個主成分分析比較可靠。主成分分析是將原來多個指標用少數互不相關的綜合指標來代替反映大部分信息的一種降維的分析方法[14]。聚類分析是將研究對象關系更接近的合并為一類，明確分類界限，但不會對信息進行刪減，不會區分元素重要性，即類別間的重要性是等同的[17]。

親緣關系遠近是白菜雜交育種親本組配時應考慮的重要因素，定量描述親本材料的遺傳差異，對指導重組育種和優勢育種研究具有重要意義[11]。聚類分析研究大白菜種質資源間的遺傳差異，對優勢育種的親本應在類群間進行選擇。因為類群間的遺傳差異大，更有利于雜種優勢的利用。為了更好地利用大白菜種質資源優勢性狀進行育種，筆者通過聚類分析將50份大白菜種質資源共分為4類，第一類群種質資源，株型較大、產量高、球葉數多、中心柱短、耐抽薹性好，可作為組配高產、大株型耐抽薹品種的親本材料；第二類群耐抽薹差，產量居中，不適合組配耐抽薹品種；第三類群株型小，耐抽薹性較好，可作為組配耐抽薹娃娃菜品種的親本材料；第四類群屬于大株型、耐抽薹性較好、結球較松散的材料，也可作為組配耐抽薹品種的親本材料；并在不同類群中對種質資源主成分的綜合得分值進行排序，以更好地篩選出不同用途的優良種質資源。在今后的研究中還可以增加材料的抗病性、軟葉率、球心色等性狀的調查，增加小區面積和調查株數，更全面地評價種質資源。

綜上所述，筆者通過對50份大白菜種質資源的株高、開展度、毛質量、凈質量、球高、球寬、外葉數、球葉數、中心柱橫徑、中心柱縱徑10個農藝性狀進行系統比較分析，并采用主成分分析、聚類分析和綜合評價，將50份種質資源分為了4個類群，其中，從德高秋美、天正秋白×春福皇、太太菜、五月美皇中選育出的自交系分別為4個類群中表現最優異的材料，今后可根據育種目標合理利用這些資源，為以后的大白菜育種工作提供科學依據，提高育種效率。

參考文獻

[1] 李坤，史慶馨，張耀偉．與大白菜干燒邊性狀相關的SSR和SRAP標記分析[J]．中國瓜菜，2010，23（4）：6-11．

[2] 劉來福．作物數量性狀遺傳距離及測定[J]．遺傳學報，1979，6（3）：349-355．

[3] 張良韜，劉德全．遺傳距離在秈稻雜交親本選配中的應用研究[J]．福建省農科院學報，1993，8（3）：8-14．

[4] 陳重遠，張大雙，張習春，等．基于主成分分析和聚類分析對秈稻資源品質性狀的綜合評價[J]．分子植物育種，2021，19（24）：8330-8340．

[5] 傅同良．33個糯玉米自交系遺傳主成分和距離分析[J]．中國農業科學，1995，28（5）：46-53．

[6] 何文，張秀芬，郭素云，等．基于主成分分析和聚類分析對22份馬鈴薯種質的綜合評價[J]．種子，2021，40（3）：80-86．

[7] 王丹丹，師建華，李燕，等．基于主成分與聚類分析的辣椒主要農藝性狀評價[J]．中國瓜菜，2021，34（2）：47-53．

[8] 劉慶華，董晨晨，雷逢進，等．西葫蘆種質資源主要農藝性狀主成分及聚類分析[J]．種子，2021，40（2）：63-66．

[9] 王桂梅，邢寶龍．蕓豆品種主要農藝性狀的主成分分析和聚類分析[J]．種子，2021，40（2）：76-79．

[10] 姜凱旋，趙樂杰，李江麗，等．春甘藍育種材料主要農藝性狀主成分分析與聚類分析[J]．中國農學通報，2020，36（4）：50-55．

[11] 劉永莉，劉翹，孫沖霞．大白菜主要數量性狀主成分分析和聚類分析[J]．吉林蔬菜，2007，3：73-75．

[12] 范偉強，尹婧，王超楠，等．33個大白菜品種表型遺傳多樣性評價[J]．中國瓜菜，2021，34（10）：32-38．

[13] 余陽俊，陳廣，劉琪．大白菜晚抽薹性及其與開花葉片數的關系[J]．北京農業科學，1996（3）：32-34．

[14] 莊萍萍，李偉，魏育明，等．波斯小麥農藝性狀相關性及主成分分析[J]．麥類作物學報2006，26（4）：11-14．

[15] 唐啟義．DPS?數據處理系統（第二卷）現代統計及數據挖掘[Ｍ]．3版．北京：科學出版社，2013.

[16] 許俊強，湯青林，宋明，等． 蔬菜抽薹的遺傳規律及機理研究[J]．長江蔬菜，2011（8）：7-10．

[17] 張文霖．主成分分析在SPSS中的操作應用[J]．市場研究，2005（12）：31-34．