李武　謝德意　趙付安等

摘要： 選取102個黃河流域棉花品種作為試驗材料，對棉花9個農(nóng)藝性狀進行主成分及聚類分析。結果表明，通過主成分分析將9個農(nóng)藝性狀簡化為彼此互不相關的5個主成分，即第一果枝節(jié)位因子、果枝數(shù)因子、籽指因子、單鈴質(zhì)量因子、生育期因子，其累計貢獻率達88.34%，可反映所有性狀的絕大部分變異信息。利用5個主成分因子進行聚類分析，102個品種被劃分為6個類群，在6個類群中除中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所的品種外，其他來自同一地區(qū)的棉花品種親緣關系較近，往往聚集在一起，可能與育種單位培育新品種時選配親本的遺傳基礎狹窄有關。研究結果可為棉花育種親本選配提供理論依據(jù)。

關鍵詞： 棉花品種；農(nóng)藝性狀；主成分分析；聚類分析

中圖分類號： S562.03 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0082-04

農(nóng)作物的遺傳多樣性是其遺傳改良的基礎，也是核心種質(zhì)構建及雜種優(yōu)勢群劃分的重要依據(jù) [1]。目前，中國棉花新品種培育仍以雜交育種為主，研究棉花資源的特性及分類是選配雜交親本的基礎。利用主成分分析在水稻 [2]、小麥 [3]、玉米 [4]、大豆 [5]、棉花 [6-7]等作物研究應用較多，為育種工作者對某些性狀的選擇和改良提供了依據(jù)，提高了選擇效率，但將主成分分析與聚類分析相結合綜合評價棉花種質(zhì)資源的報道甚少，為拓寬黃河流域棉花的遺傳基礎，提高其遺傳多樣性，豐富雜交育種的親本資源，本研究在對黃河流域102個棉花品種的9個農(nóng)藝性狀在主成分分析的基礎上進行聚類分析，研究棉花遺傳多樣性，旨在客觀評價上述品種，為棉花育種材料的選擇提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

棉花品種由中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所、河南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所提供，共102個品種，品種名稱及編號見表1。

1.2 方法

1.2.1 田間種植 2013年，將102份材料種植于河南省農(nóng)業(yè)科學院原陽試驗田。試驗采用隨機區(qū)組設計，3次重復，每小區(qū)2行，行長4.5 m，行距0 .9 m，株距0.3 m，田間管理方法與當?shù)爻Ｒ?guī)種植相同。

1.2.2 性狀調(diào)查及分析 每小區(qū)選取中間有代表性的棉花10株，考察性狀有株高、營養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分、籽指、生育期9個性狀，數(shù)據(jù)利用Excel和DPS軟件進行方差分析、主成分分析、聚類分析。

2 結果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀方差分析

對102個棉花品種的生育期、株高、營養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分、籽指進行方差分析（表2），結果表明，品種間9個農(nóng)藝性狀差異均達到極顯著水平，均可以進行主成分分析。

2.2 農(nóng)藝性狀間相關性分析

相關分析結果（表3）表明，黃河流域棉花品種生育期與營養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、單株鈴數(shù)，株高與營養(yǎng)枝、第一果枝著生節(jié)位、單株鈴數(shù)，單鈴質(zhì)量，第一果枝著生節(jié)位與單株鈴數(shù)，果枝數(shù)與單株鈴數(shù)，單株鈴數(shù)與衣分呈極顯著正相關；生育期與株高，株高與果枝數(shù)，營養(yǎng)枝與單鈴質(zhì)量，第一果枝著生節(jié)位與單鈴質(zhì)量、衣分呈顯著正相關；營養(yǎng)枝與果枝數(shù)，第一果枝著生節(jié)位與果枝數(shù)，衣分與籽指呈極顯著負相關。表明棉花品種株高越高相應的營養(yǎng)枝、果枝數(shù)、單株鈴數(shù)增多，單鈴質(zhì)量提高，生育期延長；棉花品種第一果枝著生節(jié)位較高，生育期延長，營養(yǎng)枝較多，單株鈴數(shù)增多，單鈴質(zhì)量提高，衣分也會上升；同一品種的籽指越大，相應的衣分就會降低，導致皮棉產(chǎn)量下降。

2.3 主成分分析

主成分分析結果表明，9個農(nóng)藝性狀中前5個特征值的累積貢獻率達88.34%，說明棉花性狀的相關信息可以由前5個主成分來概括（表4）。選取前5個主成分及特征向量列表5，特征向量的大小表示供試品種各農(nóng)藝性狀對主成分貢獻的大小。第1主成分特征值為3.091，相應貢獻率為34346%，從表5第1主成份中第一果枝著生節(jié)位特征向量值最大，說明第一果枝著生節(jié)位對第1主成分影響最大，其次是營養(yǎng)枝，因此，可以將第1主成分稱為第一果枝著生節(jié)位因子，第1主成分值增大，第一果枝著生節(jié)位增高，營養(yǎng)枝增多，生育期延長。第2特征值是1.668，貢獻率是18.528%，從表5可以看出[CM（25]，第2主成分中果枝數(shù)的特征向量最大，其次是單株鈴數(shù)，

說明果枝數(shù)對第2主成分影響較大，稱之為果枝數(shù)因子，當品種的果枝數(shù)越多，單株鈴數(shù)越多，單鈴質(zhì)量和衣分越大，產(chǎn)量就越高，而相應的第一果枝著生節(jié)位降低，營養(yǎng)枝減少，生育期縮短。第3個主成分特征值為1.345，貢獻率為14945%，其中籽指的特征向量最大，其次是株高和果枝數(shù)，因此將第3個主成分稱之為籽指因子，當品種的籽指增大，相應的株高增高，果枝增多但衣分降低，生育期縮短，因此第3個主成分值不宜過大。第4個主成分特征值為0.987，貢獻率為10970%，第4個主成分中單鈴質(zhì)量的特征向量最大（負值），說明單鈴質(zhì)量對第4主成分影響最大，其次是單株鈴數(shù)和生育期，因此第4個主成分為單鈴質(zhì)量因子，單鈴質(zhì)量減少，相應的株高和果枝節(jié)位降低，營養(yǎng)枝減少，單株鈴數(shù)和果枝數(shù)增多，生育期延長。第5個主成分特征值為0.860，貢獻

率為9550%，第5個主成分中生育期的特征向量最大，因此稱之為生育期因子，生育期延長，則相應品種果枝數(shù)，單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量增加。

2.4 棉花品種聚類分析

本研究利用主成分將9個性狀在保留它們變異總信息量88.34%的前提下濃縮為5 個主成分，然后利用5個主成分和各性狀的標準化值計算各個棉花品種相對應的5個主成分得分進行R型聚類分析，采用離差平方和法進行系統(tǒng)聚類分析。結果表明，當歐式距離在9.81時可以將102個棉花品種劃分為6大類（圖1）。

第1類群包括中棉所12、晉棉19號、豫棉3號、魯棉21、鑫秋1號、魯棉研21、魯棉研22、魯棉研17號、冀棉228、晉棉38、魯棉32、魯棉研27、魯棉26、魯棉研36、魯棉29、魯棉研16、魯K638、銀山4號、中棉所44、晉棉36號、魯棉37、魯棉研28、魯棉22、魯棉研32共24個品種，對農(nóng)藝性狀分析結果，第1類屬于株高較高、營養(yǎng)枝和果枝較多、第一果枝著生節(jié)位最高、結鈴性好、衣分最高、產(chǎn)量最高的一類品種（表6）。

第2類群包括中棉所21、中棉所23、中棉所41、鄭農(nóng)棉4號、中棉所30、中棉所35、晉棉13、中棉所3474、魯棉研29、豫棉5號、中棉所40、中棉所69共12個品種，對農(nóng)藝性狀分析結果，第2類屬于植株較高、生育期較長、營養(yǎng)枝和果枝較多、結鈴性好、籽指偏大、衣分較低的一類品種。

第3類群包括中棉所22、中棉所33、中棉所32、豫棉19號、銀山8號、銀山6號、中棉所49、豫棉4號、魯棉27、豫棉17、新研96-48、晉棉12號、豫棉21、中棉所51504、豫棉15號、中棉所8010、冀邯3號、豫棉18、豫棉2號、豫棉1號共 21個品種，第3類屬于植株較低、生育期較長、果枝和結鈴數(shù)少、單鈴質(zhì)量低、衣分一般、產(chǎn)量較低的一類品種。

第4類群包括冀棉26、冀合321、冀棉91-19、冀棉19、冀958、中棉所34、冀棉25、豫棉16、冀棉15、冀棉20、冀棉169、冀668共12個品種，通過性狀分析第4類品種屬于植株中等、生育期適中、果枝數(shù)和結鈴性一般、單鈴質(zhì)量最大、衣分較高的一類品種。

第5類群包括中棉所24、中棉所43、中棉所79、鑫秋4號、中棉所25、中棉所31、冀棉28、邯4849、魯棉研19、魯棉28、魯研棉18、中棉所45、豫棉20、冀棉668、豫棉668、豫棉112共16個品種，此類品種屬于植株中等、生育期適中、營養(yǎng)枝較少、果枝多、結鈴較好、單鈴質(zhì)量與籽指較低、衣分和產(chǎn)量高的一類品種。

第6類群包括冀棉27、晉33、晉742、晉棉16、晉27、秋樂5號、晉棉18號、晉棉17、晉棉21、晉棉24、晉棉20、晉中200、晉棉26、晉棉25、晉棉28號、晉棉29、晉棉14、晉中169共18個品種，此類品種屬于生育期短、營養(yǎng)枝較少、第一果著生枝節(jié)位較低、結鈴少、衣分和產(chǎn)量都較低的早熟品種。

從聚類分析結果可以看出，來自中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所的23個品種有20個品種主要分散聚集在第2、第3、第5類群中，分別有8、6、6個品種，說明所育成品種遺傳多樣性較豐富，而其他來自同一地區(qū)的品種往往聚集在一起，如魯棉系列共22個品種，有16個品種在第1類群，在2、3、5、6類群中則分別有1、1、2、1個品種；冀棉系列共16個品種，有11個品種在第4類群，在1、3、5、6類群中則分別有1、1、2、1個品種，說明同一來源地品種親緣關系較近。在雜交育種親本選擇及雜交優(yōu)勢利用上，不能僅僅只關注品種的來源地，從不同類群進行親本組配成功率可能會更大一些。

3 討論

遺傳多樣性是新品種親本選配和雜種優(yōu)勢利用的基礎，種質(zhì)資源表型多樣性一直是育種工作者搜集材料的核心問題。目前，利用分子標記研究種質(zhì)資源的遺傳多樣性與其表型多樣性難以對應的階段，從表型角度了解種質(zhì)資源的遺傳多樣性具有不可替代的地位 [8-9]。高產(chǎn)一直是育種工作者追求的目標，但與產(chǎn)量相關的性狀較多且相互之間存在相關性，育種工作者往往僅關注與目標性狀相關的少數(shù)性狀，如果僅憑少數(shù)性狀的表現(xiàn)型對種質(zhì)資源進行評價，然后進行親本選配必定帶有主觀性；主成分分析法中的每個主成分是一個相對獨立的指標體系，各個主成分之間不存在相關性且數(shù)值直觀容易分析 [10]。本研究對來自黃河流域102份品種的9個農(nóng)藝性狀進行主成分分析和聚類分析，結果表明，9個農(nóng)藝性狀之間均表現(xiàn)顯著差異，說明這些品種之間差異較大；主成分將9個性狀在保留它們變異總信息量88.34%的前提下濃縮為5 個彼此不相關的主成分，即第一果枝著生節(jié)位因子、果枝數(shù)因子、籽指因子、單鈴質(zhì)量因子、生育期因子，在此基礎上利用5個主成分和各性狀的標準化值計算各個棉花品種相對應的5個主成分得分進行聚類分析，102個棉花品種被劃分為6個類群，其中第1、第5類群品種產(chǎn)量綜合性狀較好。

本研究聚類分析結果，中棉所23與中棉所25分別屬于不同類群，本結論與王沛政等的研究結果 [11]不一致，可能與利用性狀研究種質(zhì)資源遺傳多樣性時，其遺傳距離計算受基因型、環(huán)境、聚類方法以及聚類分析所依據(jù)的性狀有關，因此利用相同的種質(zhì)資源可能會得出不同的聚類結果，這可能是通過農(nóng)藝性狀聚類相似度較低的原因 [12]。本研究中除來源于中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所的品種外，其他來自同一地區(qū)的品種親緣關系較近，往往聚集在一起，這可能與育種單位培育新品種時選配親本的遺傳基礎狹窄有關。有些品種雖然來源于不同地區(qū)，但聚集在一類群，說明棉花品種的遺傳差異與地理位置的遠近無關，與前人研究的結果 [13]一致。因此，在雜交育種親本選擇及雜交優(yōu)勢利用上應考慮在不同類群選擇，而不必考慮地理位置，這樣組配成功率可能會更大一些。

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