倪正斌 ，朱俊凱 ，王陳燕 ，孫紅芹 ，萬林生 ，孫明法 *

（1.江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇 鹽城224005；2.江蘇金土地種業(yè)有限公司，江蘇 揚州225002；3.鹽城市亭湖區(qū)農委，江蘇 鹽城224005）

22個玉米雜交組合農藝性狀的主成分和動態(tài)聚類分析

倪正斌1，朱俊凱2，王陳燕3，孫紅芹1，萬林生1，孫明法1*

（1.江蘇沿海地區(qū)農業(yè)科學研究所，江蘇 鹽城224005；2.江蘇金土地種業(yè)有限公司，江蘇 揚州225002；3.鹽城市亭湖區(qū)農委，江蘇 鹽城224005）

為揭示江蘇揚州地區(qū)夏玉米植株農藝性狀對產量的影響，主要通過主成分分析和動態(tài)聚類分析方法，對2015年度參加江蘇省玉米區(qū)域試驗的22個組合11個性狀的數(shù)據(jù)資料進行研究。結果表明：主成分分析的前3個主成分(Y1，Y2，Y3)的總貢獻率達到71.329 6%，根據(jù)需要對其繼續(xù)進行動態(tài)聚類分析，得到不同聚類結果，可為選擇優(yōu)良的親本組合提供參考依據(jù)。

玉米；農藝性狀；主成分；動態(tài)聚類

玉米是世界上主要的糧食作物之一，又是重要的工業(yè)原料和“飼料之王”，用途多、產業(yè)鏈長、涉及面廣，既關系到國家糧食安全，又關系到經(jīng)濟社會發(fā)展。由于我國玉米產量的90%以上都用于飼料和工業(yè)原料，因此其消費彈性和供求變化都大于水稻與小麥，對玉米育種的要求也日趨專業(yè)化與多樣化。

當前玉米育種工作越來越精細化，使得在傳統(tǒng)育種中，依賴肉眼判斷農藝性狀和唯產量高低判斷其價值顯示出越來越多的弊端。本研究通過將多元統(tǒng)計分析方法中的主成分分析和動態(tài)聚類分析結合起來，對玉米多個農藝性狀資料進行降維，通過線性組合，提煉出彼此獨立的2～3個主成分，并對提煉出來的幾個主成分進行動態(tài)聚類分析，將品系（種）或者育種材料進行分類，從而選擇與對照一類或者超越對照性狀的幾類進行進一步研究，為傳統(tǒng)育種的量化分析提供一個新的思路。近年來，利用主成分分析對作物的農藝性狀進行聚類已被廣泛使用在植物品系（種）評價及農藝性狀的相關研究中[1-7]。本文運用主成分分析對玉米的農藝性狀進行聚類，并對玉米雜交種各農藝性狀之間的關系進行分析，可為揚州地區(qū)玉米雜交種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以2015年參加江蘇省普通玉米預試的22個玉米組合為供試材料，其編號分別為CY01、CY02、…、CY22，其中CY22為對照。試驗于2015年3—7月在揚州金土地種業(yè)有限公司試驗田進行。

1.2 試驗方法

選擇有代表性、地勢平坦、排灌方便、土壤肥力中等、地力均勻、前作為大麥的田塊進行區(qū)域試驗。小區(qū)面積24 m2，長方形，采用完全隨機區(qū)組排列，3次重復。試驗地四周設保護行。田間管理按當?shù)卮筇锷a水平進行，各項栽培管理措施一致。因當年無特殊及異常氣象條件，各雜交組合均未發(fā)生明顯病害。玉米成熟后收獲前進行田間取樣，調查各個玉米參試雜交組合的主要農藝性狀及產量。

1.3 農藝性狀調查

2015年7月玉米成熟后，在每個組合中隨機選取 10 個單株，對其生育期（X1）、株高（X2）、穗位高（X3）、穗長（X4）、穗粗（X5）、禿尖長（X6）、穗行數(shù)（X7）、行粒數(shù)（X8）、千粒質量（X9）、出籽率（X10）及小區(qū)產量（X11）進行調查。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計；SPSS進行主成分分析，根據(jù)各性狀間的遺傳相關關系矩陣計算特征根、特征向量；基于Matlab R2014a，采用動態(tài)聚類分析中最小組內平方和法（SSW）進行聚類分析。

2017-04-27

江蘇省農業(yè)科技自主創(chuàng)新資金項目[CX(15)1005-3-1]；農業(yè)部沿海鹽堿地科學觀測實驗站開放課題(YHS201609)。

倪正斌（1985—），男，助理研究員，主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:303796259@qq.com。

*通訊作者：孫明法（1966—），男，研究員，主要從事作物遺傳育種研究。E-mail:201493682@qq.com。

2 結果與分析

2.1 22個供試玉米雜交組合材料的農藝性狀

表1為2015年度江蘇省玉米區(qū)域試驗22個組合11個性狀的數(shù)據(jù)資料。對22個玉米雜交組合11個性狀數(shù)據(jù)及其變異情況分析表明（表1、表2），各農藝性狀中，生育期、株高、穗長、穗粗、行粒數(shù)、出籽率和小區(qū)產量的變異系數(shù)均小于10%，其余3個性狀變異系數(shù)均超過10%，說明參試組合來源不同，不同的種質資源的性狀差異較大，尤其是禿尖長、穗位高、千粒質量差異明顯，增加了玉米品系（種）選育材料的多種選擇性。

表1 22個玉米雜交組合11個性狀表現(xiàn)

表2中22個參試玉米組合變異系數(shù)最大的是80.32%，最小的為1.07%，可見各性狀的變異系數(shù)差異明顯。玉米組合變異系數(shù)大小排序為：禿尖長（X6）＞ 穗位高（X3）＞ 千粒質量（X9）＞ 小區(qū)產量（X11）＞行粒數(shù)（X8）＞ 穗行數(shù)（X7）＞ 穗長（X4）＞ 株高（X2）＞ 穗粗（X5）＞ 出籽率（X10）＞ 生育期（X1）。

表2 22個玉米雜交組合11個性狀變異情況

2.2 對供試玉米農藝性狀的主成分分析

表3列出了22個供試材料的各農藝性狀主成分分析的結果。由表3可知，前3個綜合指標的貢獻率分別為31.246 0%、23.294 7%和16.788 9%，累積貢獻率達71.329 6%。

第一主成分：

Y1=-0.081 1X1+0.367 7X2+0.352 0X3-372 2X4+0.551 2X5-0.223 8X6-0.066 5X7-0.009 3X8+0.353 5 X9+0.326 7X10-0.075 3X11；

第二主成分：

Y2=0.285 5X1+0.431X2-0.078 6X3+0.165 6X4-0.344 2X5-0.222 2X6-0.190 0X7-0.155 0X8+0.576 4 X9-0.349 1X10-0.130 6X11；

第三主成分：

Y3=0.302 3X1+0.353 4X2-0.142 9X3-0.294 0X4-0.480 5X5+0.138 3X6+0.233 0X7+0.279 5X8-0.084 9 X9+0.513 4X10-0.153 6X11，

該結果表明，前3個綜合指標（主成分）基本上反映了11個指標的全部信息。根據(jù)3個主成分在各個性狀所對應的特征向量，穗位高、千粒質量、株高、出籽率等性狀在Y1中所占的比重較大；千粒質量、生育期等性狀在Y2中所占的比重較大；出籽率、株高、生育期等性狀在Y3中所占的比重較大。

表3 各個主成分的特征向量和累積貢獻率

2.3 對3個主成分的動態(tài)聚類分析

對Y1、Y2、Y3主成分進行動態(tài)聚類分析，結果如圖1—3所示，其中圖1是分為3類的結果，SSW=88.218 7，其中 CY2、CY3、CY7、CY13、CY14、CY17、CY18、CY19 歸為一類，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22 歸 為 一 類 ，CY1、CY4、CY11、CY12、CY16歸為一類，每一類所包含的序號即為所對應的雜交組合。

圖1 22個雜交組合聚為3類

圖2為分為4類的結果，SSW=59.153 9，其中CY1、CY4、CY11、CY12 、CY16 歸 為 一 類 ，CY2、CY13、CY17 歸 為 一 類 ，CY3、CY7、CY14、CY18、CY19 歸為一類，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22歸為一類，每一類所包含的序號即為所對應的雜交組合。

圖2 22個雜交組合聚為4類

圖3是分為5類的結果，SSW=43.577 8，其中CY1、CY4、CY11 歸為一類，CY12、CY16 歸為一類，CY2、CY13、CY17 歸 為 一 類 ，CY3、CY7、CY14、CY18、CY19 歸為一類，CY5、CY6、CY8、CY9、CY10、CY15、CY20、CY21、CY22 歸為一類，每一類所包含的序號即為所對應的雜交組合。

依據(jù)這樣的動態(tài)聚類分析結果，就可以將各個雜交組合根據(jù)需要劃分不同的類，同一類內的雜交組合相似，不同類之間的雜交組合存在較大差異，距離越遠，差異越大。動態(tài)聚類是一種迭代算法，通過反復修改分類可達到最滿意的聚類結果。不同的聚類結果說明各個組合之間的親緣關系也不一樣，可更加有效直觀地了解各個組合，為傳統(tǒng)育種的量化分析提供一個新的思路。

圖3 22個雜交組合聚為5類

3 結論與討論

應用主成分分析和最小組內平方和法（SSW）的動態(tài)聚類分析方法，對22個玉米雜交組合進行分析，3個主成分涵蓋了全部11個性狀的71.33%的信息。給出的3個聚類圖，可根據(jù)需要，將22個品系（組合）劃分為3～5個類，在聚類圖上，第一主成分坐標軸上的數(shù)值最大的類，為綜合性狀最優(yōu)的類。

本研究重點以雜交玉米組合主要農藝性狀數(shù)據(jù)為例，將多維彼此無關的雜交玉米材料的性狀數(shù)據(jù)線性簡化，形成的主成分分析結果再進行動態(tài)聚類分析，并結合在一起形成良好的多元數(shù)據(jù)分析體系，其結果更加直觀[8-9]。該分析方法給玉米雜交種性狀的量化分析提供了一個新的思路。在選配綜合性狀良好的玉米組合時，同一類型的材料基因互補程度少，選育新品系（種）的概率不高。而選擇不同聚類群體的材料進行雜交組合，其親緣關系遠，遺傳范圍廣，出現(xiàn)新品系（種）的概率高。玉米是雜種優(yōu)勢利用程度比較高的作物，現(xiàn)有的育種材料又來源于雜交組合的選系，根據(jù)動態(tài)聚類不同類別的分類結果，可更加直觀的看出他們的親緣關系，這樣可為玉米育種的親本選擇提供可視化的參考信息。

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Assessment of the Agronomic Characters of 22 Corn Hybrids and Dynamic Clustering Analysis of Their Principal Components

NI Zheng-bin1，ZHU Jun-kai2，SUN Hong-qin1，WAN Lin-sheng1，SUN Ming-fa1
(1.Jiangsu coastal area Institute of Agricultural Sciences,Yancheng 224005,China；2.Jiangsu Kingearth Seed Co.,Ltd,Yangzhou 225002,China)

The present study was aimed to determine the impact of the agronomic characters on the yield of summer maize planted in Yangzhou region.The principal component analysis and dynamic clustering analysis were performed to evaluate 11 agronomic characters of 22 corn hybrid combinations involved in 2015 Regional Test of Corn in Jiangsu province.The principal component analysis indicated that the first three principal components(Y1,Y2,Y3)had a total contribution rate of 71.329 6%.Subsequently,they were subjected to dynamic clustering analysis based on quadratic sum within the group.Based on the result of classification and choice,the clustering results were obtained.This research is a preliminary analysis and evaluation of the germplasms of maize,providing a useful reference for future studies aiming at improving the efficiency of maize breeding.

Corn;Agronomic traits;The principal components;Dynamic clustering

S513

A

1673-6486-20170357

倪正斌,朱俊凱,孫紅芹,萬林生,孫明法.22個玉米雜交組合農藝性狀的主成分和動態(tài)聚類分析[J/OL].大麥與谷類科學,2017,34(5):18-22，37[2017-10-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1769.S.20171015.1747.004.html.