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监苗
5 years ago
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1 大麦与谷类科学 2017,34(05): Barley and Cereal Sciences doi: /j.cnki /s 个玉米杂交组合农艺性状的主成分和动态聚类分析倪正斌 1, 朱俊凯 2, 王陈燕 3, 孙红芹 1, 万林生 1, 孙明法 (1. 江苏沿海地区农业科学研究所, 江苏盐城 ;2. 江苏金土地种业有限公司, 江苏扬州 ;3. 盐城市亭湖区农委, 江苏盐城 ) 1* 摘要 : 为揭示江苏扬州地区夏玉米植株农艺性状对产量的影响, 主要通过主成分分析和动态聚类分析方法, 对 2015 年度参加江苏省玉米区域试验的 22 个组合 11 个性状的数据资料进行研究结果表明 : 主成分分析的前 3 个主成分 (Y 1,Y 2,Y 3 ) 的总贡献率达到 %, 对其继续进行动态聚类分析, 得到不同聚类结果, 可为选择优良的亲本组合提供参考依据关键词 : 玉米 ; 农艺性状 ; 主成分 ; 动态聚类中图分类号 :S513 文献标识码 :A 文章编号 : 玉米是世界上主要的粮食作物之一, 又是重要的工业原料和饲料之王, 用途多产业链长涉及面广, 既关系到国家粮食安全, 又关系到经济社会发展由于我国玉米产量的 90% 以上都用于饲料和工业原料, 因此其消费弹性和供求变化都大于水稻与小麦, 对玉米育种的要求也日趋专业化与多样化随着玉米育种工作越来越精细化, 使得在传统育种中, 依赖肉眼判断农艺性状和唯产量高低判断其价值显示出越来越多的弊端本研究通过将多元统计分析方法中的主成分分析和动态聚类分析结合起来, 对玉米多个农艺性状资料进行降维, 通过线性组合, 提炼出较少几个彼此独立的 2~3 个主成分, 并对提炼出来的几个主成分进行动态聚类分析, 将品系 ( 种 ) 或者育种材料进行分类, 从而选择与对照一类或者超越对照性状的几类进行进一步的研究, 为传统育种的量化分析提供了一个新的思路近年来, 利用主成分分析对作物的农艺性状进行聚类已被广泛使用在植物品系 ( 种 ) 评价及农艺性状的相关研究中 [1-7] 本文运用主成分分析对玉米的农艺性状进行聚类, 并对玉米杂交种各农艺性状之间的关系进行分析, 可为扬州地区玉米杂交种选育提供参考 1 材料与方法 1.1 供试材料以 2015 年参加江苏省普通玉米预试的 22 个玉米组合为供试材料, 其编号分别为 CY01 CY02... CY22, 其中 CY22 为对照试验于 2015 年 3 7 月在扬州金土地种业有限公司试验田进行 1.2 试验方法选择有代表性的地势平坦排灌方便土壤肥力中等地力均匀前作为大麦田块进行区域试验小区面积 24m 2, 长方形, 采用完全随机区组排列,3 次重复试验地四周设保护行田间管理按当地大田收稿日期 : 基金项目 : 江苏省农业科技自主创新资金项目 [CX(15) ]; 农业部沿海盐碱地科学观测实验站开放课题 (YHS201609); 盐城市科技发展计划项目 (YK ) 作者简介 : 倪正斌 (1985 ), 男, 助理研究员, 主要从事作物遗传育种研究 E mail: @qq.com * 通讯作者 : 孙明法 (1966 ), 男, 研究员, 主要从事作物遗传育种研究 E mail: @qq.com

2 生产水平进行, 各项栽培管理措施一致因当年无特殊及异常气象条件, 各杂交组合均未发生明显病害玉米成熟后收获前进行田间取样, 调查各个玉米参试杂交组合的主要农艺性状及产量 1.3 农艺性状调查 2015 年 7 月玉米成熟后, 在每个组合中随机选取 10 个单株, 对其生育期 (X 1 ) 株高(X 2 ) 穗位高 (X 3 ) 穗长(X 4 ) 穗粗(X 5 ) 秃尖长(X 6 ) 穗行数(X 7 ) 行粒数(X 8 ) 千粒质量(X 9 ) 出籽率 (X 10 ) 及小区产量(X 11 ) 进行调查 1.4 数据统计与分析用 Excel 2016 进行数据统计 ;SPSS 进行主成分分析, 根据各性状间的遗传相关关系矩阵计算特征根特征向量 ; 以 Matlab R2014a 进行聚类分析, 采用动态聚类分析中最小组内平方和法 (SSW) 2 结果与分析个供试玉米杂交组合材料的农艺性状表 1 为 2015 年度江苏省玉米区域试验 22 个组合 11 个性状的数据资料对 22 个玉米杂交组合 11 个性状数据及其变异情况分析表明 ( 表 1 表 2), 各农艺性状中, 生育期株高穗长穗粗行粒数出籽率和小区产量的变异系数均小于 10%, 其余 3 个性状变异系数均超过 10%, 说明参试组合来源不同, 不同的种质资源的性状差异较大, 尤其是秃尖长穗位高千粒质量差异明显, 增加了玉米品系 ( 种 ) 选育材料的多项选择性表 1 22 个玉米杂交组合 11 个性状表现材料 X 1 (d) X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 ( 行 ) X 8 ( 粒 ) X 9 (g) X 10 (%) X 11 (kg) CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY CY22(CK)

3 表 2 22 个玉米杂交组合 11 个性状变异情况性状 X 1 (d) X 2 X 3 X 4 X 5 X 6 X 7 ( 个 ) X 8 ( 行 ) X 9 (g) X 10 (%) X 11 (kg) 最大值最小值极差平均数标准差变异系数 (%) 表 2 中 22 个参试玉米组合变异系数最大的是 80.32%, 最小的为 1.07%, 可见各性状的变异系数差异明显玉米组合变异系数大小排序为 : 秃尖长 (X 6 )> 穗位高 (X 3 )> 千粒质量 (X 9 )> 小区产量 (X 11 )> 行粒数 (X 8 )> 穗行数 (X 7 )> 穗长 (X 4 )> 株高 (X 2 )> 穗粗 (X 5 )> 出籽率 (X 10 )> 生育期 (X 1 ) 2.2 对供试玉米农艺性状的主成分分析表 3 列出了 22 个供试材料的各农艺性状主成分分析的结果由表 3 可知, 前 3 个综合指标的贡献率分别为 % % 和 %, 总的贡献率达 %, 其中 : 第一主成分 : Y 1 = X X X X X X X X X X X 11 ; 第二主成分 : Y 2 = X X X X X X X X X X X 11 ; 第三主成分 : Y 3 = X X X X X X X X X X X 11, 该结果表明, 前 3 个综合指标 ( 主成分 ) 基本上反映了 11 个指标的全部信息 3 个主成分在各个性状所对应的特征向量说明穗位高千粒质量株高出籽率等性状上在 Y 1 中所占的比重较大 ; 千粒质量生育期等性状上在 Y 2 中所占的比重较大 ; 出籽率株高生育期等性状在 Y 3 中所占的比重较大表 3 各个主成分的特征向量和累计百分率主成分 (Y) 特征值百分率 (%) 累计百分率 (%)

4 2.3 对 3 个主成分的动态聚类分析对 Y 1 Y 2 Y 3 主成分进行动态聚类分析, 结果如图 1 3 所示, 其中图 1 是分为 3 类的结果,SSW= , 其中 CY2 CY3 CY7 CY13 CY14 CY17 CY18 CY19 归为一类 ;CY5 CY6 CY8 CY9 CY10 CY15 CY20 CY21 CY22 归为一类 ;CY1 CY4 CY11 CY12 CY16 归为一类, 每一类所包含的序号即为所对应的杂交组合图 1 22 个杂交组合聚为 3 类注 : 图中分别表示 CY1 CY2 CY3 下同图 2 为分为 4 类的结果,SSW = , 其中 CY 1 CY 4 CY 11 CY 12 CY16 归为一类, CY 2 CY 13 CY17 归为一类, CY 3 CY 7 CY 14 CY 18 CY19 归为一类,CY 5 CY 6 CY 8 CY 9 CY 10 CY 15 CY 20 CY 21 CY22 归为一类, 每一类所包含的序号即为所对应的杂交组合图 2 22 个杂交组合聚为 4 类. 图 3 是分为 5 类的结果,SSW = , 其中 CY1 CY4 CY11 归为一类,CY12 CY16 归为一

5 类,CY2 CY13 CY17 归为一类,CY3 CY7 CY14 CY18 CY19 归为一类,CY5 CY6 CY8 CY9 CY10 CY15 CY20 CY21 CY22 归为一类, 每一类所包含的序号即为所对应的杂交组合图 3 22 个杂交组合聚为 5 类依据这样的动态聚类分析结果, 就可以将各个杂交组合根据需要划分不同的类, 同一类内的杂交组合相似, 不同类之间的杂交组合存在差异, 距离越远, 差异越大动态聚类是一种迭代算法, 通过反复修改分类来达到最满意的聚类结果不同的聚类结果说明各个组合之间的亲缘关系也不一样, 可更加有效直观地了解各个组合, 为传统育种的量化分析提供一个新的思路 3 结论与讨论应用主成分分析和最小组内平方和法 (SSW) 的动态聚类分析方法, 对 22 个玉米杂交杂交组合进行分析,3 个主成分涵盖了全部 11 个性状的 71.33% 的信息 ; 给出的 3 个聚类图, 可根据需要, 将 22 个品系 ( 组合 ) 划分为 3~5 个类, 在聚类图上, 第一主成分坐标轴上的数值最大的类, 为综合性状最优的类本研究重点以杂交玉米组合主要农艺性状数据为例, 将多维彼此无关的杂交玉米材料的性状数据线性简化形成的主成分分析结果再进行动态聚类分析, 并结合在一起形成良好的多元数据分析体系, 其结果更加直观 [8-9] 该分析方法对玉米杂交种性状的量化分析提供了一个新的思路在选配综合性状良好的玉米组合时, 同一类型的材料基因互补程度少, 选育新品系 ( 种 ) 的概率不高而选择在不同聚类群体的材料进行杂交组合, 其亲缘关系远, 遗传范围广, 出现新品系 ( 种 ) 的概率高玉米是杂种优势利用程度比较高的作物, 现有的育种材料又来源于杂交组合的选系, 根据动态聚类不同类别的分类结果, 可更加直观的看出他们的亲缘关系, 这样可为玉米育种的亲本选择提供可视化的参考信息

6 参考文献 : [1] 宁东贤, 赵玉坤, 闫翠萍, 等. 复播花生产量相关性状的主成分及通径分析 [J]. 安徽农业科学,2016,44(30):16-17,19. [2] 梁万鹏, 柴世伟, 赫春杰, 等. 种植密度对饲用高粱农艺性状及生物量的影响 [J]. 畜牧兽医杂志,2016,35(6): [3] 陈书霞, 周静, 申晓青, 等. 大蒜种质产量和品质性状主成分聚类分析与综合评价 [J]. 植物遗传资源学报,2012, 13(3): [4] 武自念, 魏臻武, 雷艳芳, 等. 12 份苜蓿农艺性状的主成分及聚类分析 [J]. 草原与草坪,2011,31(1): [5] 翁伯琦, 雷锦桂, 王义祥, 等. 添加外源硒姬松茸主要农艺性状的主成分分析 [J]. 湖南农业大学学报 ( 自然科学版 ),2010,36(5): [6] 段利云, 王通强, 阳标仁, 等. 甘蓝型油菜主要农艺性状的主成分和聚类分析 [J]. 山地农业生物学报,2007,26(5): [7] 丁厚栋, 张尧锋, 余华胜, 等. 甘蓝型油菜种质资源的农艺性状聚类分析 [J]. 华北农学报,2009,24( 增 1): [8] 孙红芹, 万林生, 倪正斌, 等. 甘蓝型杂交油菜主要性状的主成分和动态聚类分析 [J]. 江苏农业科学,2012,40(4): [9] 刘玉爱, 侯建华, 高志军, 等. 玉米引种材料的主成分分析和聚类分析 [J]. 玉米科学,2006,14(2):16-18.

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