王志強，郭 松，劉聲鋒，郭守金，于 蓉，田 梅，董 瑞

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，銀川 750002）

西瓜種質(zhì)資源果實主要數(shù)量性狀的主成分分析

王志強，郭 松，劉聲鋒，郭守金，于 蓉，田 梅，董 瑞

（寧夏農(nóng)林科學(xué)院種質(zhì)資源研究所，銀川 750002）

以29份西瓜種質(zhì)資源為試驗材料，采用主成分分析方法分析西瓜果實重量、果皮硬度、果實長度、果實寬度、瓜內(nèi)種子數(shù)和中心糖含量6個主要數(shù)量性狀，并對參試西瓜材料數(shù)量性狀的品質(zhì)表現(xiàn)進行綜合評價。遺傳多樣性研究結(jié)果表明，29份材料的6個數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)介于1.81～2.07。相關(guān)性結(jié)果表明，果實重量與果皮硬度、果實長度和果實寬度呈極顯著正相關(guān)，果實長度與果實寬度呈極顯著正相關(guān)。主成分分析結(jié)果表明，6個數(shù)量性狀綜合成為3個主成分，且這3個主成分構(gòu)成的信息量可解釋總信息量的84.3053%。根據(jù)品種主成分綜合值的排序結(jié)果表明，29份參試西瓜材料按照順序排列，火洲、jubilee、sugarlee、美國父本、狄克西瓜、“54”、金麗、洛菲林、早花和鄭引15號等10個品種綜合表現(xiàn)優(yōu)良。

西瓜；種質(zhì)資源；果實；數(shù)量性狀；主成分分析

西瓜是一種世界性的園藝作物，栽培歷史悠久，分布地域廣泛。種質(zhì)資源是新品種選育、遺傳理論和生物技術(shù)研究以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。西瓜新優(yōu)品種的選育有賴于對種質(zhì)資源數(shù)量性狀的詳盡調(diào)查和利用。盡管目前多種分子標記已應(yīng)用于西瓜種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究[1-3]，但形態(tài)學(xué)分析能夠為種質(zhì)資源的多樣性研究提供直觀的表型信息。

作物的多數(shù)經(jīng)濟性狀和品質(zhì)性狀是受微效多基因控制的數(shù)量性狀，由于基因的一因多效和連鎖關(guān)系，使性狀間關(guān)系復(fù)雜。主成分分析可把具有相互關(guān)聯(lián)性狀歸結(jié)為少數(shù)幾個相互獨立的綜合性狀，使研究問題簡化，因此在作物多性狀關(guān)系分析、正確選配親本和提高后代選擇效果等方面具有指導(dǎo)作用。其應(yīng)用研究已在花生、核桃、蘋果、葡萄、茄子、辣椒、白菜、玉米和小麥等作物中報道。殷冬梅等利用DPS軟件對花生含油量、蛋白質(zhì)、油酸、亞油酸、油亞比等品質(zhì)性狀進行主成分分析[4]；楊俊霞等應(yīng)用主成分分析對晚熟核桃品系的8個主要經(jīng)濟性狀進行分析[5]；王沛等采用主成分分析方法對15個早中熟蘋果的16項品質(zhì)指標進行評價[6]；尹章文等采用主成分分析方法對影響葡萄抽條的多個因素進行分析[7]；趙德新等對55個茄子種質(zhì)資源的18個形態(tài)學(xué)性狀進行主成分分析和聚類分析[8]；鄒學(xué)校等對36個辣椒地方品種的15個性狀進行主成分分析[9]；崔秀敏等對34個白菜品種的生物學(xué)性狀進行主成分分析[10]；曾潔等對遼寧地區(qū)的26個主栽品種的玉米15項理化性質(zhì)指標進行主成分分析[11]；莊萍萍等對來自15個國家和地區(qū)的81份波斯小麥的8個性狀進行主成分分析[12]。但主成分分析在西瓜中的研究尚不多見。

本研究以29份西瓜種質(zhì)資源為試驗材料，對西瓜果實主要數(shù)量性狀進行主成分分析，旨在為西瓜育種中親本的選配、分類及種質(zhì)資源的利用研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗地設(shè)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院實驗基地園林場，采用深溝寬壟的栽培模式，株行距0.4 m× 3 m，每株留1個果實，每個品種播種10株，3次重復(fù)，各個品種隨機排列。試驗材料共29份（見表1），均為普通西瓜，編號1～23是中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹所國家西瓜甜瓜種質(zhì)資源中期庫引進資源，為固定品種。編號24～29為課題組保存西瓜材料，為高代自交系，遺傳表現(xiàn)穩(wěn)定。主要調(diào)查記載果實重量、果皮硬度、果實長度、果實寬度、瓜內(nèi)種子數(shù)、中心糖含量共6個數(shù)量性狀，6個數(shù)量性狀的數(shù)據(jù)為30株植株性狀調(diào)查的平均值，性狀調(diào)查和數(shù)據(jù)采集參照馬雙武等[13]規(guī)范標準。

1.2 方法

果實中心糖的測定采用便攜式折光糖儀進行測定，果實重量測量使用符合國家標準的盤秤進行稱量，果實長度和果實寬度使用直尺測量，精確到0.1 cm，瓜內(nèi)種子數(shù)為剖開果實后逐一統(tǒng)計后獲得，果皮硬度使用專業(yè)定制的果皮硬度計測定。為保證數(shù)據(jù)稱量和評價的一致性，所有操作由同一人完成，6個數(shù)量性狀數(shù)據(jù)采集的為同一個樣品。

29個品種的6個數(shù)量性狀分別統(tǒng)計最大值、最小值、平均值、變異幅度、變異系數(shù)和標準差，遺傳多樣性指數(shù)H'的計算參照趙香娜等方法[14]，根據(jù)平均值和標準差，將數(shù)據(jù)分成10級，從第一級Xi＜（χ-2s）到第十級Xi≥（χ+2s），χ為平均值，s為標準差，每0.5s為1級，每一組的分布頻率用于計算遺傳多樣性指數(shù)。遺傳多樣性指數(shù)H'的計算公式為：其中pi為某一性狀第i級內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

各統(tǒng)計數(shù)值、遺傳多樣性指數(shù)和相關(guān)性分析使用Excel 2003軟件計算和處理，主成分分析采用DPS7.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 遺傳多樣性分析

西瓜果實數(shù)量性狀的遺傳多樣性詳見表2。

表1 試驗材料名稱和來源Table 1 Name and origin of tested materials

表2 西瓜果實主要數(shù)量性狀的遺傳多樣性Table 2 Diversity index on quantitative characters of fruit

由表2可知，6個數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)均達到1.8以上。果實重量的最小值為1.59 kg，最大值為8.10 kg，平均值為4.54，變異幅度達到6.51，遺傳多樣性指數(shù)達到2.02。瓜內(nèi)種子數(shù)的變異幅度最大達到600，其遺傳多樣性指數(shù)也達到6個數(shù)量性狀的最大值為2.07；果實長度變異幅度為18，遺傳多樣性指數(shù)最小為1.81。

2.2 相關(guān)性分析

表3中分析結(jié)果可知，果實重量與果皮硬度、果實長度和果實寬度呈極顯著正相關(guān)。西瓜果實在生長發(fā)育過程中，為克服自身重力，必然在果皮厚度和硬度上達到與體積和重量相適應(yīng)的比例，參試品種中，有12個品種來源于美國，5個品種是中國地方品種，這些品種主要表現(xiàn)為果實大、果皮硬且耐貯運。果實重量主要由果實體積和果實密度決定，同等體積大小的情況下，果實果皮和果肉密度越大，則果實重量越大；同等密度情況下，果實體積越大，果實重量則越大。果實長度和寬度是果實體積大小的兩個決定性因素。果實長度與果實寬度呈極顯著正相關(guān)，參試品種主要為圓形、橢圓形和長橢圓形三種果形，果形指數(shù)在0.9～1.2的為圓形果，果形指數(shù)在1.2～1.5的為橢圓形果，超過1.5的為長橢圓形果。

表3 果實數(shù)量性狀的相關(guān)性分析Table 3 Correlations analysis on quantitative characters of fruit

2.3 主成分分析

西瓜果實數(shù)量性狀的遺傳多樣性是西瓜果實眾多性狀的綜合體現(xiàn)，由于各個數(shù)量性狀之間存在極顯著的相關(guān)性，因此可用主成分分析的方法確定各個性狀指標對于果實綜合性狀的影響。主成分分析是一種可將相關(guān)的多個指標，通過降維的方法，在不損失原有數(shù)據(jù)信息的前提下，綜合成數(shù)量較少且互相獨立的幾個因子代表原有眾多變量，以簡化研究的一種方法[15]。

通過對西瓜果實6個主要數(shù)量性狀進行主成分分析，并以特征值累計貢獻率達到80%以上時的主成分個數(shù)為標準提取主成分。由表4可知，第一主成分的貢獻率為46.7537%，第二主成分的貢獻率為19.7321%，第三主成分的貢獻率為17.8195%，前3個主成分特征值累計貢獻率達到84.3053%。因此可用前3個主成分代替原來6個指標對西瓜果實數(shù)量性狀進行評價。依據(jù)主成分載荷矩陣可以看出，第一主成分以果實重量為主，以果實長度和果實寬度為輔，主要體現(xiàn)品種的產(chǎn)量因子，其次體現(xiàn)西瓜果實的形狀因子；第二主成分以中心糖含量為主，體現(xiàn)果實的品質(zhì)因子，此時瓜內(nèi)種子數(shù)有最大負向系數(shù)，表示參試材料中存在種子數(shù)少而中心糖含量高的品種；第三主成分以果皮硬度為主，體現(xiàn)果實的致密性和耐貯運性。依據(jù)各主成分的貢獻率，說明對果實的6個數(shù)量性狀影響最大的是果實重量、中心糖含量和果皮硬度3個性狀指標。

表4 主成分特征值及貢獻率Table 4 Eigenvalues of principal components and their contribution

2.4 種質(zhì)資源綜合評價

利用入選的特征值和特征向量計算供試品種的主成分值并進行排序和優(yōu)劣評價。通過表5的主成分得分矩陣可得如下方程式：

表5 標準化后主成分得分Table 5 Principal component scores after standardization

利用公式y(tǒng)=0.467537y1+0.197321y2+0.178195y3可計算出29個西瓜品種數(shù)量性狀的主成分得分，即為各個品種數(shù)量性狀的綜合得分，并按照分值進行排序（見表6）。

表6 各品種數(shù)量性狀的主成分得分Table 6 Principle component scores for quantitative characters of cultivars

根據(jù)綜合得分的排序可得出各個西瓜品種果實數(shù)量性狀品質(zhì)的優(yōu)劣。由表6可知，綜合得分前10位的排序結(jié)果依次為火洲>jubilee>sugarlee>美國父本>狄克西瓜>“54”>金麗>洛菲林>早花>鄭引15號。

3 討論與結(jié)論

文章對29份西瓜種質(zhì)資源進行遺傳多樣性和主成分分析，結(jié)果表明在果實的6個主要數(shù)量性狀中，變異系數(shù)很大，遺傳多樣性指數(shù)介于1.81～2.07，通過主成分分析將反映果實品質(zhì)和貯運性的6個主要數(shù)量性狀綜合為3個主成分，其所構(gòu)成的信息量可解釋總信息量84.3053%。通過各個品種的綜合得分得到10份表現(xiàn)優(yōu)良育種材料并對其進行綜合性排序。

西瓜產(chǎn)量主要由單個果實重量和單株結(jié)果數(shù)量決定，同時也與栽培條件有關(guān)。29份種質(zhì)資源中，果實重量的變異系數(shù)達到34.14%，表明在育種過程中，可通過選擇的方式得到果實重量更大的品種或品系，也可以在西瓜生產(chǎn)過程中通過提高水肥管理條件等增加果實重量，達到高產(chǎn)目的。果實內(nèi)種子數(shù)量的多少是種子植物繁育能力大小的標志，瓜內(nèi)種子數(shù)越多則越有利于制種過程中產(chǎn)量形成，29份種質(zhì)資源中，瓜內(nèi)種子數(shù)變異系數(shù)達到35.79%，說明在育種中可從群體中選擇種子數(shù)量多的自交系作為制種的親本，通過加強肥水等管理措施才能在制種生產(chǎn)中獲得較高的種子產(chǎn)量。

種質(zhì)資源的篩選，由于參評性狀多且群體大，各性狀間存在相關(guān)性，通過主成分分析，將西瓜多個主要的篩選性狀綜合為較少的幾個主成分，而這幾個主成分又提供參試材料80%以上的信息量，是綜合而又相互獨立的評價指標，可簡化篩選研究的過程。

根據(jù)主成分特征值和特征向量進行評分，對種質(zhì)資源進行綜合評價，評選出10個優(yōu)良種質(zhì)資源，多數(shù)已成為我國西瓜育種的基礎(chǔ)材料，有的品種作為自交系配制的雜一代應(yīng)用于生產(chǎn)，成為適應(yīng)性廣、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且抗病性強的品種。如排序第一的火洲，是一個多親本復(fù)合雜交材料，其育成既有中國當?shù)剞r(nóng)家品種的參與，又有國外材料的參與。排名第二的jubilee作為父本已選育出適合西北地區(qū)種植的紅優(yōu)2號、新優(yōu)2號和金花寶等多個名優(yōu)新品種[16]。

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Principal component analysis for main quantitative characters on fruit of watermelon germplasm

WANG Zhiqiang,GUO Song,LIU Shengfeng,GUO Shoujin,
YU Rong,TIAN Mei,DONG Rui(Genetic Germplasm Institute,Ningxia Academy of Agriculture and Forestry,Yinchuan 750002,China)

Principal component analysis on six quantitative characters(including fruit weight,fruit rind hardness,fruit length,fruit width,seeds per fruit and soluble solid content at center flesh)of fruit in 29 watermelon germplasm were analyzed.The integrated assessment was performed on six major quantitative characters.The results of genetic diversity showed that the high genetic diversity were detected on six quantitative and diversity indices ranged from 1.81 to 2.07.The result of correlation showed that fruit weight was significantly and positively correlated with fruit rind hardness,fruit length and fruit width(α<0.01),fruit length was significantly and negatively correlated with fruit width(α<0.01). The results of principal component analysis showed that six quantitative characters were consolidated into three principal components which accounted for 84.3053%of total variation.Based on the principal component values obtained,the integrated assessment showed that Huozhou,jubilee,sugarlee,Meiguofuben,Dikexigua,“54“,Jinli,Luofeilin,Zaohua and Zhengyin15 were excellent in comprehensiveperformance.

watermelon;germplasm;fruit;quantitative characters;principal component analysis

S651

A

1005-9369（2014）03-0059-06

時間2014-3-24 15:43:34 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140324.1543.001.html

王志強,郭松,劉聲鋒,等.西瓜種質(zhì)資源果實主要數(shù)量性狀的主成分分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,45(3):59-64.

Wang Zhiqiang,Guo Song,Liu Shengfeng,et al.Principal component analysis for main quantitative characters on fruit of watermelon germplasm[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(3):59-64.(in Chinese with English abstract)

2013-11-19

寧夏自然科學(xué)基金（NZ12242）；寧夏農(nóng)林科學(xué)院自主研發(fā)項目（NKYJ-13-22）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（CARS-26-41）

王志強（1979-），男，助理研究員，碩士，研究方向為西瓜栽培和育種。E-mail:wzq2003135@163.com