馬柱文，張振臣，袁清華，屈玉嬌，李集勤，李淑玲，陳俊標(biāo)

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/廣東省農(nóng)作物遺傳改良重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】鉀含量是評價煙葉品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，對煙葉成熟度、燃燒性及香氣吃味均有影響，在優(yōu)質(zhì)煙草品種選育過程中起著重要指導(dǎo)作用［1-3］。但育種過程難以實現(xiàn)對大量種質(zhì)及后代株系的煙葉鉀含量進行逐一測定［4］，導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)種質(zhì)及株系（特別是高鉀種質(zhì)及株系）易被遺漏，影響高鉀種質(zhì)及株系篩選效果。因此，了解高鉀煙草種質(zhì)形態(tài)特征，合理評價高鉀煙草種質(zhì)以及確定鉀含量的田間鑒定指標(biāo)，對篩選高鉀種質(zhì)資源、選育優(yōu)質(zhì)煙草品種（特別是高鉀品種）具有重要指導(dǎo)意義?！厩叭搜芯窟M展】越來越多研究者結(jié)合聚類分析、主成分分析、因子分析和多元逐步回歸分析等多指標(biāo)綜合分析方法直觀、快速判斷作物的品質(zhì)優(yōu)劣［5-6］及抗逆強弱［7-8］。在作物鉀含量多指標(biāo)綜合評定研究中，唐忠厚等［9］以31份不同類型優(yōu)質(zhì)甘薯品種（系）為材料，確定塊根鉀利用效率與鉀敏感性可作為篩選鉀高效甘薯品種的兩個主要指標(biāo)；閻洪奎等［10］認(rèn)為玉米苗期葉片癥狀指數(shù)與穗粒重低鉀脅迫指數(shù)具有極其顯著的相關(guān)性，采用苗期葉片癥狀指數(shù)作為耐低鉀鑒定指標(biāo),具有快速鑒定、早期篩選、

省工省時、節(jié)約試驗用地等優(yōu)點；楊佳蒴等［11］發(fā)現(xiàn)棉花苗期葉片蔗糖代謝、葉綠素含量和單株葉片生物量3項指標(biāo)對棉花最終的鉀含量具有較好的預(yù)測效果。【本研究切入點】傳統(tǒng)的研究方法主要是通過線性回歸建立的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，由于涉及因素較多，參數(shù)選取較為困難，預(yù)測結(jié)果差異也較大。目前，煙葉鉀含量與化學(xué)成分、形態(tài)特征的相關(guān)分析已有涉及［12-13］，而采用多指標(biāo)綜合分析方法的研究則較少報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】嘗試采用多元多指標(biāo)分析方法，以形態(tài)特征為評價因子，結(jié)合聚類分析、主成分分析、因子分析和多元逐步回歸分析方法, 篩選煙葉鉀含量的田間鑒定最優(yōu)指標(biāo)，旨在為加速高鉀種質(zhì)資源初篩、挖掘及優(yōu)質(zhì)煙草品種選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院白云試驗基地進行。供試的31份煙草材料均來自廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，其中烤煙13份，曬煙18份（表1）。

表1 供試煙草種質(zhì)及類型Table 1 Types and germplasms of the tested tobacco

1.2 試驗設(shè)計

試驗按調(diào)制類型分區(qū)，設(shè)烤煙區(qū)和曬煙區(qū)，不同調(diào)制類型間及試驗區(qū)周邊分別設(shè)保護行。各類型間及同一類型內(nèi)隨機排列，單行植，行距1.2 m，株距0.5 m，3次重復(fù)，每小區(qū)植煙32株。

采用點穴方式播種，淺水育苗。采用精準(zhǔn)鑒定方法，2016年1月5日播種，3月15日移栽；2017年1月7日播種，3月14日移栽。移栽后，結(jié)合小培土和大培土進行施肥，每667 m2施純氮6.5 kg，氮磷鉀比例1∶1∶2，田間管理措施與優(yōu)質(zhì)煙大田生產(chǎn)相同。土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分：pH 6.04、有機質(zhì)含量18.8 g/kg、堿解氮含量93.2 mg/kg、有效磷含量72.4 mg/kg、速效鉀含量95.6 mg/kg、緩效鉀含量169 mg/kg。

1.3 調(diào)查項目及方法

形態(tài)特征調(diào)查記載：每一重復(fù)選緊鄰5株正常生長的煙株，依據(jù)《煙草種植資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》調(diào)查形態(tài)學(xué)特征：株高（x1）、莖圍（x2）、節(jié)距（x3）、葉數(shù)（x4）、最大葉長（x5）、最大葉寬（x6）、主側(cè)脈夾角（x7）、莖葉夾角（x8）、花冠長度（x9）、花冠直徑（x10）、花萼長度（x11）［14］，計算兩年平均值。

煙葉K2O含量測定：每一重復(fù)選緊鄰5株正常生長的煙株，抽蕾打頂，每株成熟采收中部葉、上二棚葉片各3片，馬上進行105℃殺青，然后曬干、混合粉碎，采用5%的乙酸提取，3次重復(fù)，K-Na火焰光度計測定鉀含量［15］，計算平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2016進行整理與分析；采用SPSS 19.0軟件進行相關(guān)分析、聚類分析、主成分分析及多元逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 單項指標(biāo)的統(tǒng)計描述

參試31份煙草種質(zhì)的鉀含量及形態(tài)特征存在豐富的遺傳多樣性，從表2可以看出，鉀含量介于 13.50～47.50 mg/g，均值為 29.00（±7.60）mg/g，變異系數(shù)為26.10%。形態(tài)特征變異系數(shù)介于7.08%～32.61%，以莖葉夾角（32.61%）最大，莖圍（7.08%）最小。

表2 供試煙草種質(zhì)單項指標(biāo)統(tǒng)計描述Table 2 Statistical description of single index of the tested tobacco germplasms

圖1 31份煙草種質(zhì)聚類樹狀圖Fig.1 The dendrogram of the 31 tobacco germplasm

2.2 煙草種質(zhì)聚類分析

采用歐式距離離差平方和法（UPGMA）對鉀含量進行聚類分析（圖1），可將31份煙草種質(zhì)劃分為3類：貝爾93、春雷三號、大白尖0929、大白筋599、大虎耳、大埔煙、庫扎加E2、K326、封開11、81-26為第一類，為高鉀種質(zhì)；春雷五號、大山溝、大葉煙、鶴山二號-2、牛津26、大同、谷咀、海南6-2、鶴山中南、黑葉一號、五十葉、騰沖大柳葉、萬年煙、細種秋根、云羅06-1、云羅04-1、小花青、奀種牛利為第二類，為中鉀種質(zhì)；古蠶黑葉、黑葉二號、云羅03為第三類，是低鉀種質(zhì)。

根據(jù)鉀含量聚類分析的結(jié)果，將3類煙草種質(zhì)的各主要性狀計算平均值（表3），比較不同含鉀類型種質(zhì)的形態(tài)特征：

第一類（高鉀種質(zhì)）：植株高，莖圍粗，節(jié)距疏，葉數(shù)較多，腰葉長，葉面寬，主側(cè)面夾角較大，莖葉夾角小，花冠長，花冠直徑大，花萼長。

第二類（中鉀種質(zhì)）：植株較高，莖圍粗，節(jié)距較疏，葉數(shù)多，腰葉較長，葉面較寬，主側(cè)面夾角小，莖葉夾角較大，花冠較長，花冠直徑較大，花萼較長。

第三類（低鉀種質(zhì)）：植株矮小，莖圍細，節(jié)距密，葉數(shù)少，腰葉短，葉面窄，主側(cè)面夾角大，莖葉夾角大，花冠短，花冠直徑小，花萼短。

表3 不同鉀含量類型的形態(tài)特征比較Table 3 Comparison of morphological characteristics among different types of potassium

2.3 煙草形態(tài)特征相關(guān)分析及共線性診斷

鉀含量與形態(tài)特征的相關(guān)分析表明，葉長、花冠直徑與鉀含量呈極顯著正相關(guān)，花冠長度呈顯著正相關(guān)。其中，最大葉長（r=0.683**）、花冠直徑（r=0.651**）的相關(guān)系數(shù)較大，表現(xiàn)極顯著正相關(guān)；花冠長度（r=0.363*）表現(xiàn)顯著正相關(guān)；最大葉寬（r=0.347）、花萼長度（r=0.264）、莖圍（r=0.189）、株高（r=0.135）、節(jié)距（r=0.108）、葉數(shù)（r=0.024）、莖葉夾角（r=-0.255）、主側(cè)脈夾角（r=-0.003）的相關(guān)系數(shù)較小，表現(xiàn)弱相關(guān)性。由于各形態(tài)特征單項指標(biāo)之間存在或多或少的相關(guān)性，以至于導(dǎo)致其提供的信息發(fā)生重疊，需在此基礎(chǔ)上進行后續(xù)的多元線性回歸分析。

對形態(tài)特征自變量觀測數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣進行共線性診斷（表4），容差均大于0.1，方差膨脹因子（VIF）均小于10，說明變量之間并不存在嚴(yán)重的共線性，所反映的信息不發(fā)生較大重疊，可利用篩選可靠的評價指標(biāo)。多元回歸方程假設(shè)檢驗P=0.008，說明回歸模型極顯著，認(rèn)為部分形態(tài)特征對鉀含量的影響有統(tǒng)計學(xué)意義。葉長和花冠直徑兩個自變量對鉀含量均達到顯著水平，而其他自變量對鉀含量的作用均不顯著，這與相關(guān)分析結(jié)果一致。

2.4 煙草各形態(tài)特征主成分分析

對各形態(tài)特征進行主成分分析，將原來具有相關(guān)性的形態(tài)特征單項指標(biāo)轉(zhuǎn)換成幾個新的且彼此獨立的主成分指標(biāo)。從表5可以看出，主成分分析特征值中5個主成分的累積貢獻率達到84.624%，可以概括不同形態(tài)特征的大部分信息,可用這5個主成分指標(biāo)對鉀含量進行概括分析。

決定第一主成分大小的主要是最大葉長（0.718）、最大葉寬（0.726）、花冠長度（0.852）、花冠直徑（0.732）和花萼長度（0.715）5個原始性狀，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的33.137%。

決定第二主成分大小的主要是株高（0.657）、莖圍（0.660）和葉數(shù)（0.873）3個原始性狀，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的22.064%。

表4 多元線性回歸參數(shù)估計及共線性統(tǒng)計Table 4 Multiple linear regression equation parameter estimate and collinearity statistics

表5 煙草各種各形態(tài)特征主成分的特征向量及貢獻率Table 5 Eigenvectors and contribution rate of principal morphological characteristic components of the tobacco

決定第三主成分大小的主要是莖圍（0.519）、葉寬（0.483）、莖葉夾角（0.410）和花萼長度（-0.514）4個原始性狀，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的11.547%。

決定第四主成分大小的主要是節(jié)距（0.501）、主側(cè)脈夾角（-0.462）和莖葉夾角（0.595）3個原始性狀，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的9.679%。

決定第五主成分大小的主要是葉長（0.489）和花冠直徑（0.465）2個原始性狀，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的8.197%。

表6 煙葉鉀含量相關(guān)指標(biāo)的主成分分析中特征根及特征變量Table 6 Eigenvalues and eigenvectors in PCA of correlated traits with the potassium content of tobacco leaves

2.5 逐步回歸分析

以5個主成分的特征向量為自變量，鉀含量為因變量進行主成分回歸分析，主成分回歸方程的假設(shè)檢驗P=0.001，說明主成分回歸模型極顯著（表6），可以認(rèn)為形態(tài)特征的主成分對鉀含量的影響有統(tǒng)計學(xué)意義。

經(jīng)過主成分逐步回歸分析，第一主成分（PC1）與第五主成分（PC5）對因變量的作用極顯著，擬合回歸方程：y=0.533PC1+0.461PC5。得到以11個形態(tài)特征為自變量，鉀含量為因變量的一般多元線性回歸方程：y=0.014x1+0.190x2+0.142x3-0.066x4+0.608x5+0.442x6+0.122x7-0.009x8+0.360x9+0.604x10+0.302x11。

根據(jù)相關(guān)分析、多元線性回歸方程的結(jié)果可知，最大葉長與花冠直徑對鉀含量信息存在極顯著的反映能力。以最大葉長（x5）和花冠直徑（x10）為自變量，以鉀含量為因變量，再次進行回歸分析（表7）?；貧w方程假設(shè)檢驗P＜0.001，說明回歸模型極顯著，回歸方程擬合度好。擬合回歸方 程y=-1.699+0.041x5+0.831x10（R2=0.9602），估計精度在89.66%以上。常量、葉長和花冠直徑的假設(shè)檢驗均達顯著水平，較好證明葉長、花冠直徑對鉀含量信息有極顯著的反映能力。

3 討論

煙草是喜鉀作物，影響煙葉鉀含量的因素很多，主要包括品種類型［16］、鉀肥類型［17］、土壤環(huán)境［18］、施鉀方式［19］、調(diào)控措施［20］以及氣候條件［21］等。田間直觀指標(biāo)篩選，孤立的使用某一單項指標(biāo)很難較準(zhǔn)確反映煙葉鉀含量的信息，而選擇的評價指標(biāo)間也存有一定的相關(guān)性，導(dǎo)致反映信息的交叉重疊。因此，多指標(biāo)綜合評價過程有必要對指標(biāo)間進行共線性診斷，以確立可靠的指標(biāo)篩選。品種類型是影響煙葉鉀含量主要的內(nèi)在因素［22］，參試的31份煙草種質(zhì)的煙葉鉀含量存有較大差異，變異系數(shù)達26.10%，貝爾93（47.5 mg/g）、春雷三號（43.1 mg/g）鉀含量均大于40.0 mg/g，可作為高鉀種質(zhì)資源利用。通過聚類分析，將參試煙草種質(zhì)劃分為高鉀種質(zhì)、中鉀種質(zhì)和低鉀種質(zhì)3種類型。

主成分分析將11個形態(tài)特征指標(biāo)轉(zhuǎn)換成5個彼此獨立的綜合指標(biāo)，其特征值中5個主成分的累積貢獻率達到84.624%，可以概括不同形態(tài)特征的大部分信息。第一主成分反映原始數(shù)據(jù)信息量的33.137%，主要是最大葉長、最大葉寬、花冠長度、花冠直徑和花萼長度5個原始性狀組成。可以看出，花、葉的形態(tài)特征對品種間差異信息的反映能力較強。

通過逐步回歸分析，篩選出顯著反映煙葉鉀含量的葉長（x5）和花冠直徑（x10）兩個形態(tài)特征指標(biāo)，擬合煙葉鉀含量的評價回歸模型y=-1.699+0.041x5+0.831x10（R2=0.9602）， 估計精度在89.66%以上。最大葉長與煙葉鉀含量具有顯著相關(guān)，這與舒海燕［12］、張勝［13］等研究結(jié)果相似；而花的形態(tài)特征與煙葉鉀含量的相關(guān)分析報道甚少，鉀素在根系與地上部間較快速流動，基于源庫關(guān)系，花形態(tài)建成能提供由根系向地上部運輸?shù)膭恿?，有助于體內(nèi)鉀素積累?，F(xiàn)蕾打頂是烤煙生產(chǎn)中重要的農(nóng)藝措施，鄭憲濱等［23］發(fā)現(xiàn)，打頂后10 d內(nèi)，煙株體內(nèi)有大量的鉀離子沿韌皮部回流到根中，回流鉀量占根系向地上部的鉀量的比例大約在50%以上。

4 結(jié)論

將31份煙草種質(zhì)聚類分成10份高鉀種質(zhì)、18份中鉀種質(zhì)、3份低鉀種質(zhì)。高鉀種質(zhì)的形態(tài)特征表現(xiàn)為高植株，粗莖圍，節(jié)距疏，較多葉數(shù)，腰葉長，腰葉寬，主側(cè)面夾角較大，莖葉夾角小，花冠長，花冠直徑大，花萼長。腰葉葉長及花冠直徑對煙葉鉀含量信息有極顯著的反映能力，可作為煙葉鉀含量的田間鑒定指標(biāo)。