基于主成分分析和聚類分析的大豆高產群體性狀研究

孫 影，葉 錄，王鳳梧，廉培勇，鄭成忠，梅 雪，張子臻，王千軍，徐振朋，王小明，黃文娟

（烏蘭察布市農林科學研究所，內蒙古 烏蘭察布 012000）

大豆作為重要的蛋白質和油脂來源之一，在我國已有2000多年的栽培歷史［1］。大豆產量性狀和相關農藝性狀多為數量性狀，容易受環境因素的影響，而且農藝性狀之間還會相互影響，導致分析產量與相關農藝性狀之間的關系比較困難。在特定的生態條件下，研究特定性狀與產量的關系，可以直觀地篩選出高產的指標性狀［2］。大豆的產量受多個基因控制，在育種上很難直接選擇某個性狀，因此，通過選擇與產量相關的農藝性狀已成為作物高產育種的一個重要途徑［3］。主成分分析、聚類分析與其他分析方法聯合使用，在品種評價、分類、選育、建立理想的高產株型方面均有獨特的優勢［4-7］。

目前，關于大豆的研究多集中在高產栽培技術方面，對大豆品種主要農藝性狀與產量之間的關系及其變化規律已有一些研究［8-10］，但采用主成分分析與聚類分析相結合的方法對不同品種相關農藝性狀進行量化分析的研究鮮見報道。本研究采用多元統計分析方法，通過對20種大豆品種的產量和農藝性狀進行分析，探討了它們之間的量化關系，并對各參試品種的性狀進行了聚類分析和綜合評價，旨在明確大豆高產群體的特征，為內蒙古烏蘭察布市大豆的生產、引種及良種選育提供有價值的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與供試材料

本試驗于2022年在烏蘭察布市農林科學研究所平地泉基地進行，地理位置113.1196°E、40.9232°N，海拔1342 m，生育期平均溫度16.92 ℃，降水量278.9 mm，日照時數1084.7 h。土壤質地為砂壤土，地力良好、平衡，前茬作物為馬鈴薯。

供試大豆品種：內豆4號、蒙豆343、蒙豆160、蒙豆170、蒙豆42、蒙豆43、蒙豆46、蒙豆48、蒙豆49、蒙豆50、蒙豆15、登科5號、登科1號、蒙豆53、蒙豆54、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆1137、蒙豆912、東農690共20個大豆品種，均由呼倫貝爾市農牧科學研究所提供。

1.2 試驗設計

2022年5月20日播種，以品種為處理，采取隨機區組排列，設置3個重復，合計60個小區，每個小區面積為16.5 m2（5.5 m×3.0 m），株行距18 cm×25 cm，保護行≥2行，小區間觀察道寬0.5 m，小區中間過道寬1.0 m。

1.3 測定內容與方法

記錄各參試大豆品種的生育期、收獲期；在每個小區隨機挑選大豆植株10株，并分別測定其株高、主莖節數、結莢高度、分枝數等農藝性狀，以及單株有效莢數、單株無效莢數、單株總粒數、百粒重等產量構成性狀。每個小區收割20穴，脫粒，曬干，測定20株的總產量。同時，每個小區全部收割，混合脫粒，測定每個小區的實際產量。

1.4 統計分析

運用Excel 2010和SPSS 19.0軟件對試驗數據進行處理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 生育期

由表1可以看出，內豆4號的生育期最短，為92 d；蒙豆912的生育期最長，為122 d。除此之外，其他參試大豆品種的生育期在108～118 d之間。總體來說，除內豆4號外，參試大豆品種的生育期較為接近，在內蒙古烏蘭察布地區種植均能夠正常成熟。

表1 參試大豆品種的生育期情況

2.2 產量和農藝性狀

測定參試品種的單株有效莢數、無效莢數、總粒數、有效分枝數，以及百粒重、產量、株高、主莖節數、底莢高度等指標，結果(表2)表明：不同品種的各個農藝性狀和產量性狀之間的差異較大，變異系數最大的是單株無效莢數，為0.83；其次是單株有效分枝數，為0.77，這說明無效莢數和有效分枝數會隨外界環境的改變而發生較大的變化。在大豆的實際生產中，可以通過調控農藝和產量性狀來達到提高產量的目的。主莖節數的變異系數最小，為0.12；其他產量和農藝性狀的變異系數較小，集中在0.13～0.23之間，說明這些指標受遺傳因素的影響較大，有一定的穩定性。

表2 參試大豆品種主要產量和農藝性狀的表現

2.3 產量和農藝性狀之間的相關性分析

對參試大豆品種的農藝性狀和產量性狀進行Person相關性分析，結果如表3所示，由此可以看出：小區產量與株高、主莖節數、底莢高度、單株有效莢數、單株總粒數呈顯著正相關，與20株產量呈極顯著正相關；20株產量與株高、單株有效莢數呈顯著正相關，與單株總粒數呈極顯著正相關；百粒重與單株有效莢數、單株總粒數呈顯著負相關；單株總粒數與單株有效莢數呈極顯著正相關；單株無效莢數與底莢高度呈極顯著負相關；株高與單株有效莢數、主莖節數呈顯著正相關。

表3 參試大豆品種產量性狀、農藝性狀間的相關性

2.4 參試大豆品種的主成分分析

對試驗數據進行Bartlett球形度檢驗和KMO檢驗(表4)，根據檢驗要求，如果KMO＞0.8，則說明非常適合進行分析；如果KMO值介于0.7～0.8之間，則說明比較適合進行分析；如果KMO值介于0.6～0.7之間，則說明可以進行分析；如果KMO值＜0.6，則說明不適合進行分析。本試驗符合KMO＞0.6且P＜0.05的標準，這說明適合進行主成分分析。

表4 Bartlett球形檢驗和 KMO檢驗結果

對參試品種的農藝和產量性狀做主成分分析，從表5可以看出：通過主成分分析提取出3個主成分，第1主成分的特征值為4.057，貢獻率為40.569%；第2主成分的特征值為2.230，貢獻率為22.302%；第3主成分的特征值為1.197，貢獻率為11.970%；前3個主成分的累計貢獻率為74.841%。

表5 參試大豆品種主成分分析結果

表6反映出了各主成分的載荷量和共同度，由此可以看出：第1主成分包括小區產量(載荷量0.847)、20株產量(0.838)、單株有效莢數(0.774)、單株總粒數(0.766)、株高(0.705)、主莖節數(0.661)和底莢高度(0.508)；第2主成分包括百粒重(0.863)；第3主成分包括單株無效莢數(0.548)。

表6 載荷量與共同度

2.5 聚類分析

對20個品種的10個性狀進行系統聚類分析，結果如圖1所示，按照聚類結果在最大距離為10時，可將20個品種劃分為4個大類：類群Ⅰ包括蒙豆343、蒙豆53、蒙豆46、蒙豆54、內豆4號、蒙豆57、蒙豆58、蒙豆48、蒙豆912；類群Ⅱ包括蒙豆42、蒙豆50、蒙豆49、蒙豆43、蒙豆1137、蒙豆160、登科5號、登科1號、蒙豆15；類群Ⅲ包括東農690；類群Ⅳ包括蒙豆170。

圖1 參試大豆品種的聚類分析結果

根據聚類分析結果，對4個大類的產量和農藝性狀進行系統分析，總結出各大類群的性狀特征。結果表明(表7)：類群Ⅰ品種的株高、主莖節數、底莢高度、單株有效莢數、20株產量和小區產量適中，有效分枝數和單株無效莢數少，百粒重高。類群Ⅱ品種的株高、主莖節數、底莢高度、百粒重、20株產量和小區產量高，單株總粒數和單株有效莢數較多，單株有效分枝數適中，單株無效莢數少，該類型是典型的高產類型，具有植株高大，單株總粒數和單株總莢數較多且顆粒大的特點。類群Ⅲ品種的株高、主莖節數、單株有效分枝數、單株有效莢數、單株總粒數高，底莢高度、20株產量和小區產量適中，單株無效莢數和百粒重低，該類型是典型的株高粒小型。類群Ⅳ品種的株高、主莖節數、底莢高度、20株產量和小區產量低，單株有效分枝數、單株有效莢數、單株總粒數、百粒重適中，單株無效莢數多，該類型植株矮小，產量低，容易受環境的影響而產生空癟粒。

表7 參試大豆品種4個類群的性狀特征

3 討論

3.1 產量、農藝性狀的變異性和相關性分析

大豆植株性狀的變異系數反映了不同大豆品種隨著環境的改變而發生改變的可能性，韓秉進等［11］認為除了百粒重、主莖節數、每莢粒數和經濟系數的變異較小，改良空間較小外，大豆的其他性狀都有一定的改良空間；4粒莢數、分枝數的變異系數最大，可通過品種的更換或改良、施肥的改善等栽培措施，使其具有較大的改良空間，其也可以作為育種選擇的性狀。本研究發現，大豆的單株無效莢數和單株有效分枝數的變異系數最大，有很大的改良空間，而百粒重、主莖節數、株高等性狀的變異系數小，受遺傳因素的影響較大，這與前人的研究結果相似。

符小發等［12］認為單株粒數、單株莢數、生物產量、株高等性狀能為大豆產量的積累提供足夠的“庫”，這些指標與產量呈顯著正相關；潘相文等［13］亦認為在選擇大豆高產品種時，應側重選擇這些性狀為重要指標。王金陵等［14-15］認為大豆的株高與單株產量呈正相關，而孟慶喜等［16］認為大豆的株高與單株產量在肥力高的田塊呈負相關，在肥力低的田塊則呈正相關。本研究結果表明：與大豆產量呈顯著正相關的性狀指標有株高、主莖節數、底莢高度、單株有效莢數、單株總粒數，這與前人的研究結果相似。

3.2 主成分分析與聚類分析

眾多學者認為單株粒重是提高產量的關鍵因素，即單株粒重對產量的貢獻最大［17-21］。符小發等［12］研究發現不同農藝性狀對不同大豆品種單株產量的影響表現為單株莢數＞單株粒數＞生物產量＞有效分枝數＞百粒重＞生育期＞株高。任海龍等［22］得出大豆單株產量與農藝性狀的關聯強度表現為單株粒數＞單株莢數＞有效分枝數＞株髙＞主莖節數＞生育期＞百粒重。王彩潔等［6］認為分枝數、單株莢數是影響大豆產量的關鍵因素，因而是育種過程中選擇的主要目標性狀。

本研究對20份參試大豆材料進行主成分分析后，得出了3個主成分，3個主成分的累計貢獻率為74.841%。第1主成分的特征值為4.057，貢獻率為40.569%，說明在本試驗中該類主成分對產量形成有重要的影響。除去產量因素，還有百粒重、單株有效莢數、單株總粒數、株高和主莖節數的載荷量較高，分別為0.863、0.774、0.766、0.705和0.661，說明這幾個農藝性狀對產量的影響較大，因此在育種中應該優先選擇具有這類優良性狀的大豆材料，并在高產栽培模式創建過程中對這些性狀進行重點調控。

本研究通過聚類分析發現產量最高的是類群Ⅱ，說明高產大豆品種的特點為株高、主莖節數、底莢高度、百粒重高，單株總粒數和單株有效莢數較多，單株有效分枝數適中，單株無效莢數少。由此可知，選育高產大豆品種時不能 一味地追求單株總莢數和總粒數，而是在保證這2項指標的基礎上，適當提高株高，增加百粒重。這與陳桂娟等［23］的研究結果相似。

4 結論

烏蘭察布市氣候干燥，晝夜溫差大，光能資源極為豐富，日平均日照時數為7.6～8.4 h，可以為大豆產量的積累提供足夠的“源”。本試驗選取的20個大豆品種均能在本地區正常生長成熟。綜合聚類分析、主成分分析和相關性分析結果，大豆高產群體的農藝性狀和產量性狀表現為株高高、主莖節數多、底莢高度高、粒重大、單株總粒數和有效莢數多，說明在選育高產品種時，要首先考慮這些指標。變異性分析表明：單株無效莢數和單株有效分枝數的變異系數最大，說明在品種遺傳改良時這2個性狀可作為優先考慮的農藝性狀。