內蒙古自治區高粱登記品種農藝性狀及品質綜合評價

摘要： 為探究內蒙古自治區高粱品種的特點，客觀評價高粱品系，對內蒙古登記的92個高粱品種的13個主要農藝性狀進行變異分析、主成分分析、隸屬函數法、聚類分析和同異分析。結果表明，92個品種的13個性狀變異系數在4.01%～56.66%之間。通過主成分分析，將92個品種的農藝和品質性狀綜合成為9個相互獨立的綜合指標（主成分值），這9個主成分值的累計貢獻率達88.119%，再將各主成分得分值和貢獻率進行計算，求出其綜合評價D值，基于D值采用歐氏距離及類平均法將92個品種分為四大類：第Ⅰ類具有長生育期、株高較高、穗粒質量和千粒質量較大的特點；第Ⅱ類具有株高適中、支鏈淀粉含量適中、穗粒質量較大的特點；第Ⅲ類具有生育期相對較長、總淀粉含量相對較高、粗脂肪含量較低的特點；第Ⅳ類具有株高較低、生育期相對較短、穗粒質量較小、總淀粉含量和單寧含量適中、抗病性一般的特點。將同異分析法求出的聯系度μ（W）與綜合評價D值相結合，從92個品種中選出7個綜合性狀優良的品種，通過對這些品種的篩選，以期為今后內蒙古地區高粱育種目標的科學確立及品種推廣提供參考。

關鍵詞： 內蒙古；高粱品種；農藝性狀；品質；隸屬函數法；同異分析法

中圖分類號：S514.037 "文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）01-0083-10

高粱別稱蜀黎，屬禾本科C 4短日照作物，性喜溫，耐澇，具有高光效、抗逆境、適應性強等特點［1］。內蒙古自治區高粱在我國有著悠久的發展歷史，因其具有抗旱性強、抗病性強、生長快、產量高等優點，而被農民廣泛種植。產量是衡量高粱品種利用價值的重要標準，高粱產量性狀的提高依靠各農藝性狀和其他生物性狀的不斷改良和共同協調［2］。品質是決定高粱品種使用價值的有效指標，好的品質不僅能提升高粱品種的市場價值，更能作為優質的飼料和重要的釀造、醫藥工業原料而被人們廣泛利用［3］。因此，種植和發展高產、優質的高粱品種，既能促進經濟社會發展，減少環境污染，又有助于農業可持續發展。目前，國內外學者對高粱的栽培和利用等方面做了大量的研究［4-5］，而對于農藝性狀、品質和抗病性等方面的研究還不夠全面。李春宏等對104份江蘇省高粱種質資源的遺傳多樣性進行研究，選出9份可用于生產與育種的優良高粱種質資源［6］。何振富等利用方差分析、相關性分析和聚類分析對15份甜高粱的農藝性狀、產草量和營養成分含量展開了研究［7］。梁萬鵬等研究了飼用高粱的分蘗數、莖粗、株高、節數、穗寬等農藝指標與產量的相關性［8］。高旭等利用主成分分析和聚類分析將257份高粱種質資源的15個數值型農藝性狀簡化為5個主成分，其累計貢獻率達82.40%，并將其劃分為3個類群［9］。金星娜等對8個飼用甜高粱品種的7個農藝性狀和4個品質性狀進行了差異顯著性分析和多重比較，發現大獎1180、大獎1230和大卡這3個品種的草產量與品質較好，適宜作為甘肅省中部地區的示范品種［10］。前人研究多基于個別分析方法對高粱農藝性狀進行評價［11］，所以還需要結合多種分析方法對高粱品種進行全面梳理以及系統的分析，進而篩選出綜合性狀優良的品種。本研究采用主成分分析初步研究了各性狀間的內在聯系，通過隸屬函數法、同異分析法和聚類分析對高粱品種材料的農藝性狀、品質和抗病性等方面進行了綜合評價，旨在探究內蒙古地區不同高粱品種的特點，為今后高粱育種目標的科學確立及品種推廣提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料來源于國家非主要農作物品種登記公告（2018—2022年），本研究依據登記品種的主要農藝性狀、粗脂肪含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量等品質性狀，共選取92個高粱品種，各品種的登記編號、選育單位和品種來源見表1。

1.2 性狀指標的選取

根據品種登記信息，綜合選取13個主要農藝和品質性狀，分別為株高（X 1）、生育期（X 2）、穗粒質量（X 3）、千粒質量（X 4）、穗長（X 5）、穗型（X 6）、穗形（X 7）、粒色（X 8）、粗脂肪含量（X 9）、總淀粉含量（X 10）、支鏈淀粉含量（X 11）、單寧含量（X 12）、絲黑穗病（X 13）。

1.3 隸屬函數法的試驗分析

用公式（1）求得每個基因型各綜合性狀的隸屬函數值：

u（X j）=（X j-X min）/（X max-X min），j=1，2，…，n； "（1）

式中：X j表示第j個綜合性狀的值；X min表示第j個綜合性狀的最小值；X max表示第j個綜合性狀的最大值。

用公式（2）可求得各綜合性狀的權重：

w j=p j/∑ n j=1 p j，j=1，2，…，n。 "（2）

式中：w j表示第j個綜合性狀在所有綜合性狀中的重要程度，即權重；p j為各基因型第j個綜合性狀的貢獻率。

用公式（3）計算各基因型綜合評價D值：

D=∑ n j=1 ［u（X j）×w j］，j=1，2，…，n。 "（3）

1.4 同異分析法的試驗分析

1.4.1 高粱品種各性狀理想值的構建及權重的確定

根據內蒙古自治區高粱生產特點與育種目標來確定高粱品種各性狀的理想值。株高、生育期、穗長、穗型、穗形、粒色和單寧含量等性狀取適中值為理想值，穗粒質量、千粒質量、粗脂肪含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量取最大值為理想值，絲黑穗病取最優抗性為理想值。本研究采用郭瑞林等介紹的信息熵綜合評價法［12］確定各性狀的權重（w j）。

1.4.2 計算各性狀觀察值與理想值的同一度和綜合同一度 同一度計算公式如下：

A gi=X oj/X gj（用于理想值越小越好的性狀）； （4）

A gj=X oj/（X oj+｜X oj-X gj|）（用于理想值適中的性狀）； （5）

A gj=X gj/X oj（用于理想值越大越好的性狀）。 （6）

式中：A gj代表第g個高粱品種第j個性狀的同一度；X gj代表第g個高粱品種第j個性狀的觀察值；X oj代表第j個性狀的理想值。

綜合同一度計算公式如下：

A g=∑A gjw j。 "（7）

式中：A g代表高粱品種的綜合同一度；w j代表第j個性狀的權重。

1.4.3 計算各品種差異度和聯系度

差異度（b g）計算公式：

b g=1-A g。 "（8）

聯系度［μ（W）］計算公式：

μ（W）=A g+b gi。 "（9）

同一度與差異度是相對的，i的取值范圍為［-1， 1］，對于品種區域試驗分析來說，i為-1［13］。

1.5 統計分析

采用Excel 2019軟件對數據進行基礎處理、隸屬函數和同異分析，采用SPSS 26.0軟件進行主成分分析，采用Origin 2021軟件進行聚類分析，并對4個質量性狀分別進行賦值，便于統計分析，賦值標準見表2。

2 結果與分析

2.1 各品種間主要農藝性狀和品質性狀的變異分析

對92個高粱品種的13個主要農藝性狀進行遺傳變異分析，結果見表3。13個主要性狀的變異系數在4.01%～56.66%之間（粗脂肪含量除外），說明各品種性狀間存在較大差異。其中，變異系數最大的為穗形（56.66%），說明該性狀表型變異最豐富；變異系數最小的為總淀粉含量（4.01%），變異幅度在65.35%～84.10%之間，說明該性狀穩定性最好。一般情況下，變異系數gt;10%表示樣本間差異較大［14］，本試驗中除生育期（6.72%）、千粒質量（8.36%） 和總淀粉含量（4.01%）外，其余性狀變異系數均gt;10%，說明這92個高粱品種在綜合性狀方面遺傳變異比較豐富，有利于各高粱品種間的比較和篩選。

2.2 主成分分析及適用性檢驗

2.2.1 因子分析適用性檢驗

本研究采用SPSS Statistics 26軟件進行主成分分析，然后通過KMO檢驗法和巴特利特球形度檢驗法進行因子分析的適用性檢驗。KMO值為0.641gt;0.6，巴特利特球形度檢驗結果為265.577，Sig值為0.000lt;0.05，說明各指標間存在一定的相關性。2項結果檢驗都表明了該數據適用因子分析法。

2.2.2 主成分分析

主成分分析方法能將繁多復雜的多個指標轉化為簡潔的少個綜合性指標，所得的綜合性指標既保持了原有信息的特點，又彼此獨立［2，15］。通過對高粱品種13個性狀進行主成分分析，根據累計貢獻率gt;85%的原則，選取9個主成分，其主成分特征值分別為3.157、1.593、1.538、1.325、0.962、0.917、0.746、0.662、0.556；主成分貢獻率分別為24.285%、12.253%、11.829%、10.194%、7.398%、7.050%、5.739%、5.091%、4.280%。前9個主成分在13個性狀中累計貢獻率達88.119%（表4），說明這9個主成分的綜合信息量已能夠代表原13個參試性狀的大部分遺傳信息。

主成分載荷矩陣能反映各主成分與各變量指標間的關系，絕對值越大的數值，表明該變量與某個主成分聯系越密切，反映該變量在某個主成分上的載荷程度。由表4可知，第1主成分特征值為3.157，貢獻率為24.285%，在方差占比中最大，說明它綜合原有變量的能力最強，其中，生育期對第1主成分貢獻最大，載荷值為0.834，其次是株高，載荷值為0.705，說明第1主成分主要代表了生育期和株高的相關信息，其特征向量間的關系表明，株型高度越高、生育期表現越長，故第1主成分可以作為生育期因子和株高因子。穗長的絕對值對第2主成分貢獻最大，載荷值為-0.658，其次是粗脂肪含量和絲黑穗病的絕對值，載荷值分別為0.541和 -0.510，說明第2主成分主要代表了穗長、粗脂肪含量和絲黑穗病相關信息，可以作為穗長因子、粗脂肪含量因子和絲黑穗病因子。穗型對第3主成分貢獻最大，載荷值為0.729，其次是總淀粉含量的絕對值，載荷值為-0.522，說明第3主成分主要代表了穗型和總淀粉含量的相關信息，可以作為穗型因子和總淀粉含量因子。總淀粉含量的絕對值對第4主成分貢獻最大，載荷值為-0.565，其次是單寧含量、粒色和穗粒質量，載荷值分別為0.477、0.428、0.408，說明第4主成分主要代表了總淀粉含量、穗粒質量、粒色和單寧含量的相關信息，可以作為總淀粉含量因子、穗粒質量因子、粒色因子和單寧含量因子。支鏈淀粉含量對第5主成分貢獻最大，載荷值為0.606，其次是絲黑穗病和粒色，載荷值分別為0.493、0.432，說明第5主成分主要代表了支鏈淀粉含量、絲黑穗病和粒色相關信息，可以作為支鏈淀粉含量因子、粒色因子和絲黑穗病抗性因子。粒色對第6主成分貢獻最大，載荷值為0.486，其次是穗型的絕對值，載荷值為-0.454，說明第6主成分主要代表了粒色和穗型的相關信息，可以作為粒色因子和穗型因子。單寧含量對第7主成分貢獻最大，載荷值為0.442，說明第7主成分主要代表了單寧含量的相關信息，可以作為單寧含量因子。穗形的絕對值對第8主成分貢獻最大，載荷值為-0.507，說明第8主成分代表了穗形相關信息，可以作為穗形因子。千粒質量對第9主成分貢獻最大，載荷值為0.422，其次是株高的絕對值，載荷值為-0.401，說明第9主成分主要代表了千粒質量和株高的相關信息，其特征向量間的關系表明，隨著株高的增長，越不利于粒質量的增加，可能是由于株高的生長消耗了大量的有機物質，影響了粒質量的積累，故第9主成分可以作為千粒質量因子和株高因子。

2.3 基于主成分分析的隸屬函數綜合評價

2.3.1 隸屬函數值與權重的確定

根據SPSS 26.0所得的各主成分得分以及公式（1）求出各品種材料所有綜合指標的隸屬函數值μ（X）。根據各綜合指標貢獻率大小以及公式（2）求出其權重，通過計算，前9個獨立的綜合指標的權重分別為0.276、0.139、0.134、0.116、0.084、0.080、0.065、0.058和0.049。

2.3.2 綜合評價

將各隸屬函數值和權重分別代入公式（3）得出綜合評價D值，D值反映了不同高粱品種綜合性狀的優劣，D值越大，表明其綜合性狀越好。根據D值大小可以對92個高粱品種進行排序，結果見表5。其中，九粱12的綜合評價D值最大（0.713），說明其綜合性狀表現最好。

2.4 同異分析法對高粱品種的綜合評價

2.4.1 確定理想值與權重系數

根據內蒙古自治區高粱品種的育種目標和育種實踐，確定各性狀的理想值X oj，由于高粱植株過高易造成倒伏且不適宜機械化作業，植株過低不利于干物質的積累，影響產量，故理想株高確定為150.00 cm。生育期太長會影響最佳收獲時間，有時也會出現冷害、凍害等現象，生育期太短則會造成籽粒品質降低，故理想生育期確定為117 d。根據內蒙古高粱植株的形態特征，理想穗長、穗型、穗形和粒色分別確定為28.00 cm、2、1、6。根據釀酒工藝對高粱籽粒的要求，理想單寧含量確定為1.30%。參試的高粱品種均來自內蒙古高產、優質高粱的主產區，故理想穗粒質量、千粒質量、粗脂肪含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量均取最大值，分別為108.00 g/穗、31.30 g、79.34%、84.10%和96.70%。良好的抗逆性是植物正常生長發育必須具備的能力，因此，理想絲黑穗病取最優抗性，為1（表6）。

對于同異分析法來說，權重系數的確定至關重要。確定權重系數的基本原則是：重要的性狀權重值應適當大，次要的性狀應適當小［16］。權重系數的確定方法也有很多，過去采用專家經驗確定法（德爾菲法）、判斷矩陣法、層次分析法（AHP）［17］、最大離差化法［18］、信息熵法［12］和灰色關聯度法［19］來確定權重系數。本研究為避免人為確定權重系數的主觀性，采用更為客觀的信息熵法確定權重，其中，株高、生育期、穗長、穗型、穗形、粒色和單寧含量為適中性狀，故選用理想值計算權重較為適宜，結果見表6。

2.4.2 高粱品種各性狀的綜合同一度、差異度和聯系度

利用公式（4）、（5）、（6）進行計算，可得不同高粱品種各性狀觀察值與理想值的同一度，再將所得的各同一度和各性狀的權重系數分別代入公式（7）進行計算，得出不同高粱品種的綜合同一度。將各綜合同一度代入公式（8），可求得不同高粱品種的差異度。將各綜合同一度和各差異度分別代入公式（9），即可得出不同高粱品種的聯系度 μ（W）。綜合同一度可反映綜合性狀與理想性狀之間的吻合程度。綜合差異度可表示綜合性狀與理想性狀之間的相異程度。聯系度既可代表品種的豐產性，也可代表其穩產性。根據同異分析原則，可以用聯系度的大小來反映品種的優劣，聯系度越大，品種越優良。因此，利用聯系度大小對92個高粱品種進行排序，結果見表7。

由表7可知，92個高粱品種的綜合同一度變化幅 度為 0.205～0.943，差異度變化幅度為 0.057～" 0.795，聯系度變化幅度為-0.590～0.887，其中，赤雜114的聯系度最大（0.887），表明該品種綜合性狀表現最好，其突出的特點是穗粒質量較大（83.2 g/穗）、抗絲黑穗病較強，為高抗。赤雜113、內雜129、金雜6號、赤雜16號、金雜59號、禾粱5號次之，赤雜113、內雜129、金雜6號和金雜59號的粗脂肪含量、總淀粉含量和抗病性表現都較好；禾粱5號的生育期較長（122.5 d）、穗粒質量（95.6 g/穗）和千粒質量（29.8 g）較大；赤雜16號的抗絲黑穗病也為高抗，說明這些品種在品質和抗病性方面都表現出一定優勢。

2.5 高粱品種的聚類分析

為了更加明確不同品種間的共性，采用歐氏距離及類平均法對綜合評價D值進行聚類分析，結果見圖1。當歐氏距離為0.08時，可將92個高粱品種分為四大類，第Ⅰ類包含1個高粱品種，為九粱12，這一類群占品種材料的1.1%，該類群的特點是長生育期、株高較高、穗粒質量和千粒質量較大。第Ⅱ類包含42個高粱品種，從新雜2號到金雜6號，這一類群占品種材料的45.7%，該類群的特點是株高適中、支鏈淀粉含量適中、穗粒質量較大。第Ⅲ類包含39個高粱品種，從敖雜319到蒙雜501，這一類群占品種材料的42.4%， 該類群的特點是生育期相對較長、總淀粉含量相對較高、粗脂肪含量較低。第Ⅳ類包含10個高粱品種，從新雜3391到億雜908，這一類群占品種材料的10.9%，該類群的特點是株高較低、生育期相對較短、穗粒質量較小、總淀粉含量和單寧含量適中、抗病性一般。

2.6 隸屬函數法與同異分析法的結果比較

結合2種分析方法的原理，D值或聯系度越大，排序就越靠前，說明品種的綜合性狀越好。如表8所示，隸屬函數法排序在前20位的高粱品種分別為九粱12、新雜2號、峰雜2、敖粱10、禾粱8號、禾粱5號、禾粱3號、赤雜28、赤雜24、九粱11、新雜1號、赤雜851、富雜12、赤雜110、峰雜6、祥雜567、富雜216、富雜339、祥雜123和金雜118；同異分析法排序在前20位的高粱品種分別為赤雜114、赤雜113、內雜129、金雜6號、赤雜16號、金雜59號、禾粱5號、敖雜308、赤雜851、峰雜6、赤雜110、禾粱3號、峰紅糧99、赤雜29、敖漢紅黏粱、九粱16、赤雜115、禾粱8號、赤雜24和敖雜307。2種排序中，禾粱8號、禾粱5號、禾粱3號、赤雜24、赤雜851、赤雜110、峰雜6均排在前面，這些品種的株高相對較高，穗粒質量較大，粗脂肪含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量也都較高。

3 討論與結論

遺傳多樣性是生態多樣性和物種多樣性的基礎，通過遺傳多樣性研究可掌握高粱種質資源特性，為高粱品種改良和選育提供重要的理論支撐［20-22］。羅巍等對24份甜高粱的9個主要農藝性狀進行綜合分析，發現主穗長度、穗粒數、生物產量的變異系數較大，而莖稈長度、榨汁率、株高、千粒質量、莖粗、糖錘度的變異系數較小［23］。本研究對92個高粱品種的13個性狀進行變異分析發現，變異系數在4.01%～56.66%之間， 說明各品種性狀間存在較大差異，參數材料的遺傳變異比較豐富。其中，穗形的變異系數最大，可優先通過育種方法進行選擇，較容易獲得優良品種。總淀粉含量的變異系數最小，說明在品種性狀選擇中的相應潛力較小。

主成分分析是數據降維的一種方法，既減少了變量的個數，又能體現變量間的內在聯系［24］。本研究主成分分析表明，高粱全生育期各性狀的綜合表現可綜合為9個主成分，第1主成分綜合了生育期和株高因子；第2主成分綜合了穗長、粗脂肪含量和絲黑穗病抗性因子；第3主成分綜合了穗型和總淀粉含量因子；第4主成分綜合了總淀粉含量、穗粒質量、粒色和單寧含量因子；第5主成分綜合了支鏈淀粉含量、粒色和絲黑穗病抗性因子；第6主成分綜合了粒色和穗型因子；第7主成分綜合了單寧含量因子；第8主成分綜合了穗形因子；第9主成分綜合了千粒質量和株高因子，這與韓永亮等提取高粱籽粒產量、株型、長勢、品質、穗形5個主成分［25］，喬婧等提取高粱株型、籽粒產量和穗形３個主成分的研究結果［26］部分一致。由于這9個主成分反映了原13個性狀指標88.119%的信息，因此，這些因子均可作為高粱優良品種篩選與評價的重要指標。

隸屬函數法是一種在多指標測定基礎上對材料進行綜合評價的方法［27-28］，在不同作物多指標綜合評價上均已有廣泛應用。韓艷紅等通過隸屬函數法對13個花生品種品質進行綜合評價，篩選出4個綜合品質較優，適宜在北方地區種植推廣的品種［29］。鄒成林等通過隸屬函數法對12個玉米品種萌發期抗旱性進行評價，篩選出4個強抗旱品種、3個抗旱性中等品種和5個抗旱性弱的品種［30］。本研究根據9個主成分的得分值求出其相應的隸屬函數值，并依據各主成分的相對重要性（權重）進行加權，得到不同品種的綜合評價D值。由于D值是一個無量綱的純數，從而使各品種之間綜合性狀的差異具有可比性。根據D值大小對92個高粱品種進行排序，其中，九粱12的綜合評價D值（0.713）最大，說明其綜合性狀表現最好。在隸屬函數分析基礎上，采用歐氏距離及類平均法對綜合評價值D進行聚類分析，當歐氏距離為0.08時，可將92個高粱品種分為四大類，其中第Ⅰ類包含1個高粱品種，具有長生育期、株高較高、穗粒質量和千粒質量較大的特點；第Ⅱ類包含42個高粱品種，具有株高適中、支鏈淀粉含量適中、穗粒質量較大的特點；第Ⅲ類包含39個高粱品種，具有生育期相對較長、總淀粉含量相對較高、粗脂肪含量較低的特點；第Ⅳ類包含10個高粱品種，具有株高較低、生育期相對較短、穗粒質量較小、總淀粉含量和單寧含量適中、抗病性一般的特點。因此，在親本選配和性狀選擇工作中，可以針對各類群特點，選育出較好的雜交組配組合，提高育種效率，減少盲配性。

為避免使用單一評價方法的片面性，同時也為得到的結果更具可靠性，本研究采用同異分析法對92個高粱品種進一步分析，結果表明，92個高粱品種的穗粒質量、千粒質量、穗型、穗形、粒色、粗脂肪含量、支鏈淀粉含量、單寧含量和抗病性的同一度差異很大，株高、生育期、穗長和總淀粉含量的同一度差異相對較小，這與曲祥春等對粒用高粱雜交種進行同異分析的研究結果［13］基本一致。差異度結果表明，赤雜114、赤雜113、內雜129等這些品種都表現出了高產、優質、抗病性良好的特點。通過對這些品種的篩選，以期促進內蒙古地區高粱優良品種的發展。

基于主成分分析、同異分析、隸屬函數法及聚類分析，研究了內蒙古地區通過品種登記的92個高粱品種的綜合性狀表現，結果表明禾粱8號、禾粱5號、禾粱3號、赤雜24、赤雜851、赤雜110和峰雜6這7個品種在株高、穗粒質量、粗脂肪含量、總淀粉含量和支鏈淀粉含量等方面有一定優勢，再將這些優勢歸納為農藝性狀和品質性狀表現較好，說明其綜合性狀相較其他品種更為優良，更適宜作為今后內蒙古地區良種選育的材料。但有些品種的綜合性狀表現不太理想，這可能是由各地方的地力、氣候差異導致的，仍需進一步進行更為深入的研究分析。

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收 稿日期：2023-03-28

基金項目：內蒙古自治區高等學校青年科技英才項目（編號：NJYT22052）；內蒙古自治區科技計劃（編號：2020GG0102）；國家民委高等教育教學改革研究項目（編號：21087）；內蒙古自治區教育科學規劃課題（編號：NGJGH2021123）；內蒙古民族大學博士科研啟動基金（編號：BS621）；內蒙古自治區飼用作物工程技術研究中心項目（編號：MDK2016023）；2022年度內蒙古自治區直屬高校基本科研業務費項目；科爾沁沙地生態農業國家民委重點實驗室開放基金（編號：MDK2022023、MDK2022027、MDK2022028）。

作者簡介：吳國江（1997—），男，內蒙古呼和浩特人，碩士研究生，研究方向為作物遺傳改良與種質創新。E-mail：2592406718@qq.com。

通信作者：周亞星，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為作物遺傳育種。E-mail：zhouyaxing3@163.com。