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基于主成分分析的刺葡萄實生單株苗期性狀綜合評價

2019-09-10 12:39許紅葉李婷臧運祥徐凱高永彬鄭偉尉
福建農(nóng)業(yè)學(xué)報 2019年7期
關(guān)鍵詞:主成分分析法綜合評價苗期

許紅葉 李婷 臧運祥 徐凱 高永彬 鄭偉尉

摘?要:【目的】建立一套適合刺葡萄實生單株苗期性狀的評價方法?!痉椒ā繙y定了刺葡萄實生單株干徑、新梢長度、葉片葉綠素含量、葉面積、葉片干鮮重、葉片葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)等16個主要性狀,并應(yīng)用主成分分析法對其進行綜合評價?!窘Y(jié)果】刺葡萄實生單株主要生長性狀均出現(xiàn)較大變異,尤其是新梢長度、葉片葉綠素含量、干徑等變異較大。選取方差累積貢獻率為86.254%的前 6 個主成分來評價刺葡萄實生單株,決定第 1 主成分的是干徑、新梢長度、葉綠素含量、葉面積、葉片鮮重、葉片干重;決定第 2 主成分的是中脈長、上側(cè)脈長、下側(cè)脈長、葉柄脈長;決定第 3 主成分的是葉寬和上中側(cè)脈夾角?!窘Y(jié)論】以 6個主成分及單個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重,構(gòu)建刺葡萄實生單株苗期性狀的綜合評價模型F綜=0.38F1+0.24F2+0.12F3+0.?10F4+0.09F5+0.06F6,綜合得分排名前兩位的單株分別為S4和S35。

關(guān)鍵詞:刺葡萄;主成分分析法;苗期;綜合評價

中圖分類號:S 663.1文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1008-0384(2019)07-764-11

Abstract:【Objective】To establish a method for evaluating the characteristics of seed-derived Vitis davidii seedlings. 【Method】 Sixteen characteristics including stem girth, shoot length, leaf chlorophyll content, leaf area, leaf dry and fresh weight, and blade structure of the seedlings were determined for a comprehensive evaluation by principal component analysis. 【Result】Significant variations were found on the growth of the seedlings, especially on shoot length, leaf chlorophyll content, and stem girth. The first 6 principal components made up 86.254% of the total contribution. The first principal component was determined by the stem girth, shoot length, chlorophyll content, leaf area, and fresh and dry weights of the leaves; the second principal component by the lengths of midrib, upper lateral vein, lower lateral vein, and downmost vein; and, the third principal component by the leaf width and the angle between upper lateral vein and midrib. 【Conclusion】Using the eigenvalues corresponding to the 6 principal components and the ratio of single to extracted principal component, a comprehensive evaluation model for the seed-derived V.davidii seedlings was established. Accordingly, S4 and S35 scored the highest among the specimens. A rapid method to screen V.davidii resources at seedling stage for cultivar selection and new variety breeding had thus become available.

Key words: Vitis davidii; principal component analysis; seedling stage; comprehensive evaluation

0?引言

【研究意義】刺葡萄Vitis davidii Foex隸屬葡萄科葡萄屬東亞種群,其典型形態(tài)特征是幼枝及葉柄部位著生皮刺,主要分布在湖南、江西、福建、浙江等地區(qū)[1]。刺葡萄的環(huán)境適應(yīng)性很強,既耐高溫、高濕,還對黑痘病、白粉病、炭疽病等呈現(xiàn)出較強抗性,故具有較高的科學(xué)研究價值。

【前人研究進展】目前刺葡萄育種工作多采用種內(nèi)雜交、實生選育的方式進行,產(chǎn)生的樹種性狀變異是果樹遺傳改良和選擇育種的基礎(chǔ)。實生單株的鑒定評價常以花、果實、葉片、枝條等相關(guān)性狀為依據(jù)[2-4]。徐豐等[5]發(fā)現(xiàn)不同刺葡萄類型間葉形結(jié)構(gòu)特征差異很大,可以通過葉片大致辨別刺葡萄品種。李若蘭等[6]發(fā)現(xiàn)刺葡萄葉片的各個性狀并不孤立存在,而是有一定的相關(guān)性。王美軍等[7]提出刺葡萄的枝條變異率較小,可以客觀反映刺葡萄種內(nèi)遺傳多樣性的大小。宋軍陽等[8]通過試驗證明葡萄葉片性狀與種質(zhì)資源以及優(yōu)良品種的鑒定存在密切關(guān)系。因此,以刺葡萄實生苗進行評價,既可以避免樹體較大時給試驗帶來的不便,又因為苗期植株易表現(xiàn)出典型癥狀,其結(jié)果在一定程度上可以反映品種特性。

【本研究切入點】主成分分析(Principal Component Analysis)通過降維將個數(shù)較多且彼此相關(guān)的變量重新組合,形成個數(shù)較少、彼此獨立并盡可能多地反映原變量信息的綜合變量,為資源的評價和選擇提供科學(xué)依據(jù)。前人已采用主成分分析法對荔枝、蘋果、獼猴桃等果樹苗期性狀進行綜合評價[9-11],但在刺葡萄實生單株苗期性狀評價方面的研究尚未見報道,嚴(yán)重影響了刺葡萄資源利用及創(chuàng)新研究?!緮M解決的關(guān)鍵問題】本試驗以刺葡萄實生單株為材料,對其干徑、新梢長度、葉綠素、葉片鮮重、葉片干重等16個苗期性狀指標(biāo)進行測定,并運用主成分分析法對刺葡萄實生單株苗期性狀進行綜合評價,以期初步篩選出滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的實生單株,為刺葡萄資源苗期快速篩選及品種選育提供理論參考。

1?材料與方法

1.1?試驗材料

本試驗于2017年4月至8月在浙江農(nóng)林大學(xué)官塘試驗基地進行。4月份在智能溫室內(nèi)進行穴盤播種,種子約200粒(2016年10月采自浙江省金華市野外山坡)。6月份移栽定植,日常栽培管理及病蟲害防治方法采用相同標(biāo)準(zhǔn)進行。根據(jù)刺葡萄實生后代植株表現(xiàn),篩選出35個單株進行后續(xù)試驗,編號為S1-S35。待刺葡萄實生苗長至11節(jié)左右時,進行各項指標(biāo)測定。

1.2?試驗方法

所有葉片性狀測定均為刺葡萄新梢基部第6個葉片。采用葉綠素儀SPAD-502 plus測定葉綠素含量;采用天平稱量葉片鮮、干重;采用平臺掃描儀結(jié)合Image J軟件分析葉面積[12];參照Galet葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)分析法,采用直尺測量中脈(L1)、上側(cè)脈(L2)、下側(cè)脈(L3)、葉柄脈(L4)、葉寬(W)、上裂刻基部距葉脈基點長(Osu)、下裂刻基部距葉脈基點長(Oin)、新梢長度[13];采用量角器測量中脈與上側(cè)脈的夾角(a)、上側(cè)脈與下側(cè)脈的夾角(b)、下側(cè)脈與葉柄脈的夾角(c);采用游標(biāo)卡尺測定植株的干徑。葉片葉形結(jié)構(gòu)各參數(shù)測定部位見圖1。

1.3?數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel和SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行分析處理。綜合評價時對各性狀指標(biāo)進行無量綱化,其中X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin),式中X為某一指標(biāo)的測定值;Xmax為某一指標(biāo)測定值的最大值;Xmin為該指標(biāo)中的最小值。利用SPSS 19.0對刺葡萄苗期性狀進行主成分分析。

2?結(jié)果與分析

2.1?刺葡萄實生單株苗期干徑比較

在相同栽培管理條件下,播種的當(dāng)年生刺葡萄實生單株干徑差異較大,變異系數(shù)為0.10。由圖2可以看出刺葡萄實生單株苗期干徑為0.354~0.582 cm,S15最細(xì),S22最粗,后者為前者的1.64倍。干徑<0.40 cm的單株有S15、S21、S25、S28;0.41~0.45 cm的有14株,包括S6、S23、S30等;0.46~0.50 cm的單株有15株,包括S4、S14、S31、S35等;>0.51 cm的單株有S3、S22。2.2?刺葡萄實生單株苗期新梢長度比較實生苗可通過改變自身生物量的分配來調(diào)整對資源的獲取方式,增加個體新梢長度,提高對光資源的利用率。刺葡萄實生單株間生長量存在差異,變異系數(shù)為0.22。新梢長度在18.00~50.30 cm,S25最短,S22最長。新梢長度在25 cm以下的有11株,包括S4、S15等;在25~45 cm的有23株,包括S35、S7、S12等;>45 cm的只有S22(圖3)。

2.3?刺葡萄實生單株苗期葉片葉綠素含量比較

葉綠素是植物進行光合作用的基礎(chǔ),在一定范圍內(nèi)葉片葉綠素含量與光合速率呈正相關(guān),其含量的多少直接影響植物光合作用的強弱[14]。由圖4可知,刺葡萄實生單株葉片葉綠素含量平均值為40.80,變異系數(shù)為0.09,葉綠素含量最低的是S28,最高的是S1。葉綠素含量在35~40的有14株,包括S6、S15、S22、S31、S35等,在41~45的有19株,包括S4、S14、S23、S30等。

2.4?刺葡萄實生單株苗期葉片干鮮重比較

植株鮮重可以表征其整體長勢狀況,鮮重越大,表明營養(yǎng)生長越旺盛,植株就越健壯[15]。刺葡萄實生單株葉片鮮重為0.83~2.69 g,變異系數(shù)為0.27,S30最小,S4最大。單株間葉片干重平均值為0.30 g,變異系數(shù)為0.31。鮮重較大的品種一般也具有較大干重,葉片干重最大的單株也是S4(圖5)。

2.5?刺葡萄實生單株苗期葉面積比較

植株常通過更大的葉面積來盡可能地消除競爭帶來的不利影響,提高對光資源的利用。由圖6可以看出,刺葡萄實生單株葉面積為35.02~123.29 cm2,平均值為72.77 cm2,變異系數(shù)為0.32,S16最小,S7最大。葉面積<50 cm2的有8株,包括S14、S15、S30、S31等;51~99 cm2的有20株,包括S4、S12、S19、S35等;>100 cm2的有7株,包括S11、S17、S22等。

2.6?刺葡萄實生單株苗期葉片性狀比較

2.6.1?刺葡萄實生單株苗期葉脈長比較

在葡萄葉片度量性狀的研究方法中,葉脈長度分析作為最傳統(tǒng)且經(jīng)典的方式,很好地解釋了葉片形態(tài)的多樣性[16]。刺葡萄實生單株中脈長7.68~14.15 cm,變異系數(shù)為0.17,最小的是S16,最大的是S4。葉柄脈長平均值為2.43 cm,變異系數(shù)為0.22。S30最小,S4最大,為3.63 cm。S4、S14、S22、S35的中脈長和葉柄脈長都大幅高于平均值,其中S4的中脈長和葉柄脈長均最大(圖7)。刺葡萄實生單株上側(cè)脈長在4.9~9.55 cm,變異系數(shù)為0.15,S30最小,S35最大。下側(cè)脈長平均值為4.82 cm,變異系數(shù)為0.16,單株間最長下側(cè)脈依然是S35,最小還是S30,僅為S35的50.5%。S4、S14、S22、S23、S35的上側(cè)脈長和下側(cè)脈長均大幅高于平均值,其中S35的上側(cè)脈長和下側(cè)脈長均最大。

2.6.2?刺葡萄實生單株苗期葉寬比較

葉寬作為變量之一,在回歸模型法中被廣泛地用于估算植株葉面積[17]。刺葡萄實生單株葉寬5.44~14.12 cm,變異系數(shù)為0.18,其中S16最小,S4最大(圖8)。葉寬在4~8 cm的有S5、S16、S30;8~12 cm的有26株,包括S15、S31等;12~16 cm的有6株,包括S4、S35等。

2.6.3?刺葡萄實生單株苗期上裂刻基部距葉脈基點長和下裂刻基部距葉脈基點長比較

刺葡萄的葉形結(jié)構(gòu)參數(shù)中,上裂刻基部距葉脈基點長和下裂刻基部距葉脈基點長是其中兩個重要指標(biāo)。刺葡萄實生單株上裂刻基部距葉脈基點長在2.38~8.85 cm,變異系數(shù)為0.19,S16最小,S4最大。下裂刻基部距葉脈基點長平均值為4.57 cm,變異系數(shù)為0.17,最小的也是S16,最大的是S35。S4、S7、S17、S22、S28的兩個參數(shù)都明顯高于平均值(圖9)。

2.6.4?刺葡萄實生單株苗期葉脈夾角比較

夾角也可以很好地解釋葉片形態(tài)的多樣性,有利于更深入地認(rèn)識植物結(jié)構(gòu)[18]。刺葡萄實生單株上中側(cè)脈夾角在40.8°~71.6°,變異系數(shù)為0.13,其中S16最小,S4最大。上下側(cè)脈夾角變異系數(shù)為0.16,最小的是S14,最大的是S27,為75.0°。下側(cè)脈與葉柄脈夾角在38.7°~75.2°,變異系數(shù)為0.14,S19最大,S16也是最小。S2、S4、S6、S25的3個夾角均大幅高于平均值(圖10)。

2.7?刺葡萄苗期性狀的主成分分析

通過對刺葡萄16個苗期性狀指標(biāo)進行主成分分析,得到了特征值大于1的6個主成分,反映了總信息量的86.25%,基本包含了全部原始信息(表1)。6個主成分中第一主成分方差貢獻率為32.36%,干徑、新梢長度、葉綠素含量、葉面積、葉片鮮重、葉片干重等具有較大的荷載值,綜合反映了刺葡萄實生單株苗期生長量,因此第1主成分能作為選擇苗期綜合性狀較好的刺葡萄種質(zhì)資源的有效指標(biāo);第二主成分方差貢獻率為20.41%,中脈長、上側(cè)脈長、下側(cè)脈長、葉柄脈長等具有較大荷載值,主要反映了刺葡萄實生單株葉片生長性狀。第三主成分貢獻率為10.09%,葉寬和上中側(cè)脈夾角具有較大的荷載值,主要反映了刺葡萄實生單株葉片多變的葉形結(jié)構(gòu)性狀。第四、五、六主成分中上裂刻基部距葉脈基點長、下裂刻基部距葉脈基點長、下側(cè)脈與葉柄脈夾角、上下側(cè)脈夾角具有較大的荷載值(表2)。

以6個主成分及以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重,計算主成分綜合模型:F綜=0.38F1+0.24F2+0.12F3+0.10F4+0.09F5+0.06F6。由表3結(jié)果可以看出,S4苗期性狀表現(xiàn)最好,其次是S35、S22、S23、S14,可以作為優(yōu)質(zhì)刺葡萄苗的選擇;得分較低的4個植株則為S15、S30 、S31和S6,其中S15苗期性狀表現(xiàn)最差。

3?討?論

多數(shù)刺葡萄是雌雄同株植物,偶有雌雄異株現(xiàn)象,高度雜合,后代易發(fā)生性狀變異分離。利用這些變異進行選育省去了人工創(chuàng)造變異的過程,節(jié)省了人力物力,縮短了育種年限,選育出新品種的潛力較大。本試驗中供試刺葡萄實生單株的主要生長性狀(干徑、葉綠素含量、葉面積、葉片干鮮重、葉片性狀等)均出現(xiàn)了較大差異,新梢長度、葉片葉綠素含量、干徑在單株間的差異較大(大于平均值的實生單株分別有19、17和16株,占供試單株總數(shù)的54.28%、48.57%和45.71%),為優(yōu)異刺葡萄實生后代選育提供了基礎(chǔ)。

本研究測定的刺葡萄單株各項苗期性狀,較好地反映了不同單株間的性狀表現(xiàn)和生長發(fā)育狀況。陳秀娟等[19]發(fā)現(xiàn)草莓苗干徑較粗有利于植株吸收營養(yǎng)物質(zhì)在很大程度上契合,說明植株粗壯是刺葡萄的苗期優(yōu)良性狀。本試驗中綜合排名前三的S4、S35和S22,干徑大于0.45 cm,植株粗壯,排名最差的S15,干徑小于0.4 cm,植株較細(xì),同樣也很好地詮釋了這個現(xiàn)象。同時,溫維亮等[20]報道新梢長度是葡萄樹形態(tài)結(jié)構(gòu)的重要組成部分,與產(chǎn)量水平和適應(yīng)性呈正相關(guān),本試驗發(fā)現(xiàn)綜合排名靠前的S35單株表現(xiàn)為新梢長度較長,而排名靠后的S15、S30表現(xiàn)為新梢長度較短,由此可以看出其對刺葡萄苗期綜合表現(xiàn)也有較大影響力。S4、S35、S22的葉面積均較大,這與Wang等[21]、曾小平等[22]認(rèn)為葉面積較大的植株,能夠捕獲更多光能從而提高了植物的生長速度的結(jié)論一致。S4、S35和S22葉片性狀中的10個指標(biāo)均較高,說明葉形大的單株苗期生長狀況良好,與魏書精等[23]研究的葉片表型性狀可以影響苗木根系的生長發(fā)育在很大程度上契合。因此,適度把握好各指標(biāo)之間的關(guān)系,更加透徹的了解刺葡萄的苗期生長規(guī)律,為優(yōu)質(zhì)種苗的選育提供依據(jù)。

刺葡萄實生苗調(diào)整生存策略特化形態(tài)及干物質(zhì)的分配格局,表現(xiàn)出對環(huán)境因子的適應(yīng)性差異。仇占南等[24]、李偉等[25]、Li等[26]、Inês等[27]、Wang等[28]、Kalayclogˇlu等[29]通過主成分分析法對獼猴桃、楊梅、蘋果、梨、果樹砧木、花粉等進行了綜合評價。本研究依據(jù)16個苗期性狀指標(biāo)對刺葡萄實生單株進行主成分分析,發(fā)現(xiàn)S4、S35的苗期性狀綜合表現(xiàn)優(yōu)于其他單株。對比主成分分析的得分排名與單項性狀優(yōu)株篩選的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)主成分分析法可以考慮多指標(biāo)的綜合影響,在運用多指標(biāo)綜合評價刺葡萄實生單株時具有優(yōu)勢,例如:在主成分分析中得分排名第1的S4單株,其新梢長度排名第27位,而葉片鮮重、干重、中脈長和葉柄脈長均排名第1。葉綠素含量排名第34位的S35單株,在綜合分析時排名第2位,其上側(cè)脈長和下側(cè)脈長均排名第1;而在上下側(cè)脈夾角排名第7位的S30單株,因其他性狀指標(biāo)排名較低,故綜合得分低。因此,在對實生單株進行早期篩選時,可結(jié)合選育目標(biāo)和研究需求,應(yīng)用主成分分析法進行分析,從而獲得綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源。

4?結(jié)?論

刺葡萄苗期性狀指標(biāo)既相互獨立又密切相關(guān),本文通過對刺葡萄實生單株苗期性狀進行分析,并結(jié)合主成分分析對不同單株苗期的綜合表現(xiàn)進行評價。研究結(jié)果表明,刺葡萄實生單株主要生長性狀表現(xiàn)出較大差異,尤其是新梢長度、葉片葉綠素含量、干徑等。通過對苗期16個性狀進行主成分分析,建立了刺葡萄實生單株苗期性狀的綜合評價模型,在此基礎(chǔ)上,得到綜合排名前兩位的分別是S4和S35。本研究將為優(yōu)質(zhì)刺葡萄資源苗期快速篩選及品種選育提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

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(責(zé)任編輯:黃愛萍)

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