基于多元統計分析的柳州甘蔗新品系評價研究

DOI：10.19462/j.cnki.zgzy.20240830001

摘要：為了對柳州地區種植的甘蔗新品系進行評價，為甘蔗和相關農作物選育提供科學的決策支持，采用主成分分析（PCA）、K-均值聚類、相關性分析等方法對23個甘蔗新品系的出苗率、分蘗率、枯心率、梢腐病等9個性狀進行統計分析。結果表明，分蘗率的變異系數最大，達62.49%，有效莖數、出苗率、產量變異系數也在10.00%以上；相關性分析表明，出苗率和有效莖數高的品系往往具有更高的產量，分蘗率高的品系具有更高的有效莖數但糖分會受到影響；主成分分析將9個性狀降維為特征值大于1.0的4個主成分，累計方差貢獻率達76.242%；23個新品系通過K-均值聚類被分為5個類群，類群1～5分別包含1、3、3、5、11個品系，類群1、類群2、類群3品系綜合表現較差，不建議在柳州地區進行推廣種植，類群3的桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220整體上糖分含量較高，可以作為高糖親本加以利用，類群4、類群5的桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖18-268、桂糖18-277、桂糖13-113等16個品系可以進入下一步的區域試驗和大田示范。研究證明，多元統計方法的綜合利用可以為柳州選種和引種提供更加全面的品系綜合評價依據。

關鍵詞：柳州；甘蔗育種；多元統計分析；主成分分析；K-均值聚類

Evaluation of New Sugarcane Varieties in Liuzhou Based on Multivariate Statistical Analysis

YANG Yebin，SU Xiaohui，DENG Si，WEI Huiming，QIN Yaoguan，BEI Jianshe，

ZHOU Jianping，HE Xiaomei，MING Fanqiang，WEI Kaijun

（Liuzhou Branch of Guangxi Academy of Agricultural Sciences/Liuzhou Agricultural

Sciences Research Center，Liuzhou 545000，Guangxi）

甘蔗在全球范圍內被視為重要的糖源作物，對于食品工業和能源產業具有不可替代的作用。廣西作為全國最大的糖生產地區之一，2023-2024年榨季廣西預計糖料蔗入榨量5000萬t，食糖產量600萬t，因此甘蔗的種植和加工對于廣西經濟的發展具有顯著貢獻[1]。全球氣候變化和市場需求的不斷演變對甘蔗產業提出了諸多要求，包括提高糖分產量、增強作物的抗逆性和適應性，以及滿足可持續發展的要求等。甘蔗育種是應對這些挑戰的關鍵手段，傳統的育種方法依賴于田間選擇和雜交，而現代分子生物學技術的應用，如基因工程和基因組選擇，為甘蔗的遺傳改良提供了新的途徑[2-4]。無論采取何種育種技術，核心目標始終是培育出高產、高糖、抗病性強和適應性強的甘蔗新品種[5-6]。由于廣西不同地區的氣候和土壤條件各異，所以選育出適宜當地種植的品種對于促進當地甘蔗產業的持續健康發展具有重要意義[7]。

本研究采用多元統計分析，包括主成分分析（PCA）、K-均值聚類等，深入分析了23個甘蔗新品系的9個性狀，這些分析方法系統揭示了性狀之間的內在聯系，全面評價了品系表現，旨在篩選出具有優良遺傳潛力的甘蔗品系。前人通過此類方法對菜心、甘藍、甘蔗等作物育種提供了科學的決策支

持[8-10]。此外，本研究還探討了主成分分析和聚類分析在甘蔗育種中的應用，以期為培育符合未來市場需求的新品種提供新的視角和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 本研究所用23個甘蔗新品系來源于廣西壯族自治區農業科學院甘蔗研究所、廣西南亞熱帶農業科學研究所、柳州市農業科學研究中心、百色市農業科學研究所、河池市農業科學研究所，柳城05-136、桂糖42號為試驗對照（CK1、CK2）

（表1）。

1.2 試驗地概況 試驗地點位于廣西壯族自治區柳州市柳北區沙塘鎮柳州市農業科學研究中心試驗基地，地理位置24°26′N，109°22′E，海拔123m，地形以丘陵、沖積平原為主，土壤質地紅壤土，肥力中等，前茬作物為甘蔗。

1.3 試驗設計 試驗采用隨機區組設計，每小區4行，行長8.0m，行距1.2m，面積38.4m2。采用雙芽段品字形種植，下種量為10萬芽/hm2，四周設保護行。田間管理按照當地甘蔗生產常規管理進行。于4月中旬調查出苗率，5月中旬調查總苗數，7月調查枯心率、梢腐病，11月至翌年1月進行糖分測定及甘蔗株高、莖徑、產量的調查。

1.4 統計分析 采用主成分分析（PCA）、K-均值聚類和相關性分析等多元統計方法對試驗數據進行處理和分析。

2 結果與分析

2.1 農藝性狀變異分析 變異系數是衡量作物遺傳多樣性的重要指標，變異系數越大越能反映品種豐富的遺傳多樣性，從中選出優良個體的概率越大[11-13]。由表2可知，23份材料的性狀差異明顯，各性狀變異系數在7.56%～62.49%之間。其中，分蘗率的變異系數最大，這表明在參與試驗的甘蔗品系中，分蘗能力的遺傳差異性最大；分蘗率變幅在6.8%～161.8%之間，最高的是桂糖18-276，最低的是桂糖17-847。有效莖數變異系數為20.14%，變幅在48983～99529株/hm2之間，最多的是桂糖17-932，最少的是桂糖17-847。出苗率變異系數為19.78%，變幅在47.3%～91.5%之間，最高的是河糖16-179，最低的是河糖16-546。產量變異系數為15.58%，變幅在38363～72547kg/hm2之間，最高的是桂糖18-229，最低的是桂糖17-847。株高、莖徑、糖分的變異系數均小于10.00%，說明這3個性狀變異程度較低，遺傳性狀相對穩定。

2.2 性狀相關性分析 相關性分析揭示了不同性狀間的相互作用，對于指導育種工作至關重要。由表3可以看出，出苗率與有效莖數呈極顯著正相關，與產量呈顯著正相關，與分蘗率、梢腐病、枯心率、莖徑、株高、糖分呈負相關，這表明出苗率高的品系往往能夠帶來更高的產量，但糖分、抗病性會受到一定影響。分蘗率與有效莖數呈極顯著正相關，但與糖分含量呈顯著負相關，與梢腐病、莖徑、株高呈負相關，說明分蘗率越高的品種糖分含量可能越低。除此之外，有效莖數與產量呈極顯著正相關，說明甘蔗有效莖數是產量提高的關鍵因子。因此，在育種過程中需要對各性狀間的相關關系進行平衡，以確保既能提高有效莖數和產量，又不會降低糖分含量及抗病性。

2.3 主成分分析 主成分分析揭示了不同性狀對甘蔗總體表現的貢獻度。針對9個農藝性狀進行分析，以特征值大于1.0為標準提取主成分。結果表明，前4個主成分的特征值累計方差貢獻率達76.242%，表明這4個主成分可以反映出9個農藝性狀的大部分信息（表4）。第1主成分特征值為3.0931，方差貢獻率為30.931%，有效莖數和產量載荷值較大；第2主成分特征值為1.7075，方差貢獻率為17.075%，梢腐病抗性和莖徑載荷值較大；第3主成分特征值為1.6043，方差貢獻率為16.043%，莖徑、出苗率和產量載荷值較大；第4主成分特征值為1.2193，方差貢獻率為12.193%，株高和梢腐病抗性載荷值較大。

2.4 K-均值聚類分析 對25份參試材料進行K-均值聚類分析，可將其分為5個類群。由表5和表6可知，類群1包含1個品系（百蔗17-344），表現為抗枯心病強、抗梢腐病相對稍弱、莖徑大、產量中等。類群2包含3個品系（桂糖14-817、桂糖18-226、河糖16-546），出苗率中等，抗枯心病和梢腐病強，莖徑大，有效莖數、糖分含量、產量均中等。類群3包含3個品系（桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220），抗枯心病和梢腐病強，莖徑小，糖分含量高，產量低。類群4包含2個對照和5個品系（桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖17-605、桂糖18-496），出苗率高，抗枯心病和梢腐病強，莖徑、有效莖數、糖分含量均中等，產量高。類群5包含11個品系（桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113、桂糖17-932、桂糖17-1187、桂南蔗14-2234、桂糖18-313、桂糖17-862、桂糖18-276、桂糖16-1129、桂糖17-877），出苗率中等，分蘗率高，抗枯心病和梢腐病強，莖徑中等，有效莖數高，糖分含量一般，產量較高。

表5 參試材料K-均值聚類

類群 品種（系）

1 百蔗17-344

2 桂糖14-817、桂糖18-226、河糖16-546

3 桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220

4 柳城05-136（CK1）、桂糖42號（CK2）、桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179、桂糖17-605、桂糖18-496

5 桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113、桂糖17-932、桂糖17-1187、桂南蔗14-2234、桂糖18-313、桂糖17-862、

桂糖18-276、桂糖16-1129、桂糖17-877

3 討論與結論

本研究采用多元統計分析方法對23個甘蔗新品系進行適應性綜合評價分析。在9個性狀中株高、莖徑變異系數小于10.00%，說明遺傳性狀相對穩定。糖分為甘蔗品種選育中的一個重要指標，通過對比新品系中變異系數大于10.00%的分蘗率、有效莖數、出苗率、產量4個性狀發現，分蘗率低于平均值的新品系糖分絕大部分高于平均值，出苗率及分蘗率高的品系有效莖數均高于平均值，出苗率高的品系往往分蘗率較低。研究表明，分蘗率提高不僅能增加有效莖數，還能直接影響甘蔗的產量和糖分含量，這與前人[14-17]研究結果一致，因此甘蔗分蘗的增加對甘蔗生產力的提高有重要作用，如何平衡出苗率和分蘗率是品種選育過程中需要著重考慮的問題。

K-均值聚類將23個甘蔗品系分為5個類群，類群4（桂糖18-229、柳糖16-302、河糖16-179等）和類群5（桂糖18-277、桂糖18-268、桂糖13-113等）表現出高產和高糖分的潛力，可以作為下一步區域試驗和大田示范的候選品系。類群3的桂糖17-847、桂南蔗17-416、桂糖18-220產量較低，但糖分含量高，可以將其作為高糖親本進行改良。

本文結合了主成分分析、聚類分析、相關性分析等多元統計方法，研究再次證明利用變異系數分析可評估育成品系的遺傳多樣性，以此篩選出遺傳背景豐富、性狀表現多樣的品系作為候選育種材料；利用相關性分析可篩選出與目標性狀呈正相關或負相關的性狀，作為未來品種改良和維系性狀平衡的依據；主成分分析能夠確定對目標性狀貢獻最大的主成分，從各主成分代表性狀中篩選出表現優異的品系；K-均值聚類分析可將種質資源分為不同類群，識別具有特定優勢和改良潛力的品系，便于其進一步試驗和示范。通過綜合評價體系的建立，可使新品系得到更全面的評價，可為柳州甘蔗品種選育和引種提供科學依據。本文僅對甘蔗9項生理指標進行了多元評價，更合理的選育和引種評價體系的構建有待進一步深入研究。

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（收稿日期：2024-08-30）

基金項目：廣西科技重大專項（桂科AA22117002）；科技先鋒隊“強農富民”“六個一”專項行動（桂農科盟202403-9）；國家現代農業產業技術體系廣西甘蔗創新團隊建設項目（nycytxgxcxtd-2021-03）

通信作者：韋開軍