何 文， 張秀芬， 郭素云， 陽景陽， 李恒銳， 劉連軍

(廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 廣西 崇左 532415)

馬鈴薯俗稱土豆、洋芋，是一種糧菜兼用型農(nóng)作物，其所含淀粉是工業(yè)與食品加工業(yè)中重要的原料[1]，具有豐富的營養(yǎng)，低脂肪、高碳水化合物、高維生素、高鉀等都是它的特點，被譽為“地下蘋果”[2]。馬鈴薯是世界四大主糧之一，僅次于玉米、水稻和小麥[3]，我國作為世界馬鈴薯第一大生產(chǎn)和消費國[4]，同時馬鈴薯較高的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟價值，對于我國助推脫貧攻堅具有重要意義[5]。農(nóng)業(yè)部2016年發(fā)布的《關(guān)于推進馬鈴薯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的指導(dǎo)意見》中指出，隨著馬鈴薯的食用率越來越高，需要調(diào)整優(yōu)化馬鈴薯產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，其中馬鈴薯新品種選育就變得尤為重要[6]。目前廣西馬鈴薯種植品種主要是“費烏瑞它”，主栽品種較為單一，且由于農(nóng)戶自留種導(dǎo)致品種退化現(xiàn)象嚴重，無法完全滿足當(dāng)前馬鈴薯產(chǎn)業(yè)需求。因此優(yōu)質(zhì)馬鈴薯新品種的選育，已成為推動廣西馬鈴薯產(chǎn)業(yè)多樣性發(fā)展的重要力量。

馬鈴薯種質(zhì)資源的引進和品種選育及評價是一項基礎(chǔ)性的工作，通過單一指標分析無法準確地對馬鈴薯綜合性狀進行合理評價，而綜合評價能對品種進行全面客觀的評價[7]，具有一定的客觀性和準確性，避免了單一指標的片面性。主成分分析是在基本不損失原有信息的條件下，通過降維方法將多個存在相關(guān)關(guān)系的性狀指標轉(zhuǎn)化為幾個能反映原來多個性狀指標主要信息的綜合指標，以簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，準確了解各性狀的綜合表現(xiàn)[8]。聚類分析是根據(jù)“物以類聚”的原理，將數(shù)據(jù)分到不同的類別，同一個類別中的對象有很大的相似性，而不同類別間的對象有很大的相異性[9]。范繼征等[10]基于關(guān)聯(lián)度、主成分和聚類分析對西南區(qū)玉米新組合進行評價；張志偉[11]基于主成分分析對5種棕櫚科苗木抗寒性進行綜合評價；蘇群等[12]對49份睡蓮資源通過主成分分析和聚類分析進行了綜合評價，篩選出藍紫色九品香睡蓮為最佳品種；王鵬[13]、潘哲超[5]、柴瑩[14]、何虎翼[15]、劉文林[16]、馬恢[17]采用主成分和聚類分析對馬鈴薯遺傳多樣性進行綜合評價，并篩選出適合當(dāng)?shù)赝茝V種植的優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種。

馬鈴薯種質(zhì)在不同地方受到當(dāng)?shù)匦夂?、土壤肥力、施肥水平及管理?jīng)驗等條件的影響，導(dǎo)致馬鈴薯各方面性狀在不同地區(qū)的表現(xiàn)差異變化。廣西崇左地區(qū)屬于南亞熱帶地區(qū)，對冬種馬鈴薯在光、熱、水、氣等方面具有潛在優(yōu)勢，適合馬鈴薯大規(guī)模生產(chǎn)，但是現(xiàn)在冬種馬鈴薯品種混亂，質(zhì)量良莠不齊，因此本文通過對廣西崇左引種的22份馬鈴薯種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀和營養(yǎng)成分進行主成分分析和聚類分析，以期篩選出綜合性狀優(yōu)良的馬鈴薯品種，為崇左地區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的良種選育和推廣提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為22份馬鈴薯種質(zhì)：D 3-24(7)、D 4-26(1)-1、D 3-25(39)-3、Z 3(17)、D 5-24(33)、D 15-5(4)-1.4、龍園寶貴資源、DNJ大紅心、Z 5(6)-2、D 4-26(1)-5、 Z 4(1)-3.2、D 3-25(39)-1、D 18-15(3)-2、 D 4-26(1)-6、 DNJ小紅心、 D 3-25(40)、 D 3-25(22)、D 3-25(14)、D 3-25(22)-4、桂彩薯1號、桂農(nóng)薯1號、費烏瑞它。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設(shè)計

試驗時間為2018年11月至2019年3月，試驗地點在廣西南亞熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所馬鈴薯試驗基地新地塊，當(dāng)?shù)貙倌蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫22.8 ℃，年降水量1 348 mm，年日照時數(shù)1 251 h，無霜期352 d。試驗地為壤土，肥力中等，有利于馬鈴薯生長。本試驗選擇薯形均勻，無病蟲害馬鈴薯作為種薯，采用常規(guī)種薯切塊及消毒處理，每塊種薯約25 g，保留2個完整芽眼。起壟雙行“品”字形栽培，株行距25 cm×20 cm。試驗按隨機區(qū)組排列設(shè)計，設(shè)置3個重復(fù)小區(qū)，每個小區(qū)種植面積為6 m2，每個小區(qū)種植40株馬鈴薯。馬鈴薯種植常規(guī)施肥及田間管理參照當(dāng)?shù)厮健?/p>

1.2.2指標測定及方法

每個小區(qū)隨機抽取10株，在馬鈴薯結(jié)薯期測定植株株高、主莖數(shù)，在收獲時測產(chǎn)，并挑選大小一致的馬鈴薯樣品測量其干物率、還原糖、淀粉、花色苷、蛋白質(zhì)指標。

株高：從泥土的表層到主莖的第1個花序分支處的高度。

主莖數(shù)：由地下或者由種薯直接生長出來的莖的數(shù)目。

還原糖含量用3,5-二硝基水楊酸法測定[18]。

淀粉含量用國標GB 5009.9-2016食品中淀粉含量測定法[19]。

馬鈴薯花色苷用O.D.法測定[20]。

蛋白質(zhì)含量用國標GB 5009.5-2016食品中蛋白質(zhì)含量測定法[21]。

干物率含量用烘干法測定。

1.3 統(tǒng)計分析

用SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)變異分析、相關(guān)性分析和主成分分析并計算主成分綜合得分，確定排名秩序，再進一步根據(jù)各樣品的綜合得分進行多元線性回歸，使用Cook距離標準化的逐步線性回歸分析進行驗證，最后根據(jù)綜合得分進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯種質(zhì)性狀變異比較分析

從表1可以看出，22份馬鈴薯種質(zhì)資源在不同性狀上變異各不相同，花青素含量變異幅度最大，變異系數(shù)為133.97%，其次是還原糖含量變異系數(shù)為121.15%，其次是株高、主莖數(shù)、單產(chǎn)、干物率、蛋白質(zhì)，變異幅度最小的是淀粉含量，變異系數(shù)為3.41%。本研究結(jié)果與黃洪媛等[22]的研究結(jié)果存在一定的差異，原因是試驗中馬鈴薯品種、大田管理及生態(tài)環(huán)境等因素存在一定差異。

表1 22份馬鈴薯種質(zhì)資源性狀差異分析Table 1 Difference analysis of charcteristics in 22 potato germplasms

2.2 馬鈴薯種質(zhì)性狀相關(guān)性分析

從表2可看出，株高和單產(chǎn)呈顯著正相關(guān)，與還原糖呈正相關(guān)，與蛋白質(zhì)呈負相關(guān)；單產(chǎn)與還原糖呈正相關(guān)，與蛋白質(zhì)呈顯著負相關(guān)；還原糖與蛋白質(zhì)呈正相關(guān)；花青素與干物率呈顯著正相關(guān)。本試驗結(jié)果與李守強[23]等的研究結(jié)果存在一定差異，可能與馬鈴薯種質(zhì)特性有一定關(guān)聯(lián)。

表2 22份馬鈴薯種質(zhì)資源性狀相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of charcteristics in 22 potato germplasms

2.3 主成分分析

2.3.1數(shù)據(jù)的標準化處理

對22份馬鈴薯種質(zhì)資源性狀值進行標準化無量綱化處理[8]，公式如下：

(1)

表3 數(shù)據(jù)標準化處理后的結(jié)果Table 3 Data standardization

2.3.2主成分分析的適宜性檢驗

對無量綱標準化數(shù)據(jù)進行KMO檢驗和Bartlett球度檢驗，結(jié)果如表4所示。KMO值為0.644，Bartlett球度檢驗得出的相伴概率為0.031，小于顯著性水平0.05，因此拒絕Bartlett球度檢驗的零假設(shè)，認為變量間存在較強的相關(guān)性，適合做主成分分析。

表4 KMO檢驗和Bartlett 球度檢驗Table 4 KMO test and Bartlett sphericity test

2.3.3主成分因子的選擇

對22份馬鈴薯種質(zhì)資源性狀進行無量綱標準化處理后，再進行主成分分析，計算主成分特征值及方差貢獻率和累計貢獻率。從表5可看出，主成分1特征值為2.775，方差貢獻率為34.683%；主成分2特征值為1.58，方差貢獻率為19.755%；主成分3特征值為1.142，方差貢獻率為14.276%；主成分4特征值為0.955，方差貢獻率11.936%。主成分1～4的累計方差貢獻率達80.65%，符合主成分分析要求，即這4個主成分代表22份馬鈴薯的8項性狀信息，因此可以選取這4個主成分作為馬鈴薯性狀的綜合評價指標。

表5 馬鈴薯性狀主成分分析的方差貢獻率Table 5 Variance contribution rate of PCA of charcteristics in potatos

主成分載荷矩陣反映了各個性狀對主成分負荷的相對大小和作用方向，即該性狀對主成分影響的程度[8]。如表6結(jié)果所示，第1主成分主要反映株高、單產(chǎn)、還原糖、蛋白質(zhì)性狀；第2主成分主要反映花青素和干物率性狀；第3主成分主要反映淀粉性狀；第4主成分主要反映主莖數(shù)性狀。

表6 馬鈴薯性狀的主成分載荷矩陣Table 6 Load matrix of PCA of potato charcteristics

主成分表達式中各因子系數(shù)的大小可以反映因子對該主成分的貢獻大小，在主成分分析中，一般認為大于0.3的載荷就是顯著的[23]。根據(jù)表7馬鈴薯性狀相關(guān)矩陣的特征向量，可以寫出4個主成分表達式：

表7 馬鈴薯性狀相關(guān)矩陣的特征向量Table 7 Eigenvectors of charcteristics-related matrix of potatos

F1=0.282X1+0.004X2+0.307X3+0.255X4-0.164X5-0.016X6-0.179X7-0.25X8

F2=0.212X1-0.189X2+0.112X3-0.02X4+0.46X5+0.278X6+0.421X7-0.27X8

F3=0.228X1+0.478X2-0.217X3+0.348X4-0.138X5+0.619X6+0.05X7-0.148X8

F4=0.073X1+0.8X2+0.162X3-0.082X4+0.238X5-0.481X6+0.264X7-0.105X8

(2)

2.3.4馬鈴薯性狀的綜合評價

各主成分方差貢獻率如表5所示，選取4個主成分累計方差貢獻率80.65%>80%，建立模型Z綜合得分=34.683Z1+19.755Z2+14.276Z3+11.936Z4。通過公式(2)計算出4個主成分得分，最后計算出Z綜合得分，并進行排序(表8)。

表8 馬鈴薯性狀的主成分因子綜合得分Table 8 Comprehensive scores of PCA of potato charcteristics

以各個馬鈴薯材料F綜合得分為因變量，4個主成分包含的各性狀指標為自變量，采用逐步回歸分析，得到5個有效預(yù)測模型(R2>0.9)，依據(jù)指標簡便易用的原則，選擇模型F綜合得分=0.251X4+0.373X1+0.271X2-0.521X8，計算F綜合得分。再經(jīng)過相關(guān)性分析可以得出Z綜合得分與F綜合得分極顯著相關(guān)(R2=0.959**)，說明Z綜合得分模型具有較高的預(yù)測準確性，可以用Z綜合得分模型對馬鈴薯綜合性狀進行評價。

通過歐式距離進行聚類分析(采用類間平均距離連接得到22份馬鈴薯品種(系)的系統(tǒng)聚類圖(圖1)，由圖1可以看出，在閾值為16左右時可將供試材料分為三大類，第一類為綜合性狀較優(yōu)的材料，共有7份，分別為DNJ大紅心、DNJ小紅心、D 15-5(4)-1.4、桂農(nóng)薯1號、桂彩薯1號、D 18-15(3)-2、D 3-25(39)-1，具有產(chǎn)量高，還原糖含量高，主株高的特點，第二類為綜合性狀居中的材料，共有14份，分別是D 3-24(7)、D 4-26(1)-1、D 3-25(39)-3、Z 3(17)、D 5-24(33)、龍園寶貴資源、費烏瑞它、Z 5(6)-2、D 4-26(1)-5、Z 4(1)-3.2、D 4-26(1)-6、D 3-25(22)、D 3-25(14)，具有產(chǎn)量和還原糖含量居中，蛋白質(zhì)含量高的特點；第三類是綜合性狀較差的材料，有1份，是D 3-25(22)-4。

3 討論與結(jié)論

植物的生長發(fā)育、生理特性不僅受到自身遺傳物質(zhì)的控制，而且還受到溫度、光照、水分等環(huán)境因素的影響[24-25]。廣西冬種馬鈴薯種植期間光照相對較少、溫度較低、多陰雨，北方品種引種試種后發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)量和品質(zhì)受廣西氣候條件影響顯著[26]。因此，對引進或選育的優(yōu)質(zhì)馬鈴薯品種在廣西崇左地區(qū)的種植性狀進行綜合評價，篩選出符合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)應(yīng)用的品種具有重要意義。

本試驗通過對所選取的22份馬鈴薯種質(zhì)資源的株高、主莖數(shù)、單產(chǎn)、干物率、還原糖含量、淀粉含量、花色苷含量、蛋白質(zhì)含量8個性狀指標進行描述性統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)不同種質(zhì)資源在不同的性狀上表現(xiàn)出不同的差異，其中還原糖和花青素含量的變異幅度最大，變異系數(shù)在120%以上，說明不同種質(zhì)間還原糖和花青素這兩個性狀具有豐富的遺傳信息和選擇潛力，在育種改良上還有很大空間，可通過品種(系)間雜交等相關(guān)育種技術(shù)選育出綜合品質(zhì)更加優(yōu)良的種質(zhì)，為今后馬鈴薯農(nóng)產(chǎn)品加工多樣性打下基礎(chǔ)；而淀粉和干物率兩個指標變異范圍較小，變異系數(shù)均在9%以下，表明這22份馬鈴薯種質(zhì)的這兩個性狀遺傳較為穩(wěn)定。其中部分馬鈴薯某些性狀在其他地方表現(xiàn)與本地相差較大，可能是與本地今年連續(xù)低溫陰雨及田間管理有關(guān)。

對農(nóng)作物進行科學(xué)合理的評價，需要對各項指標進行綜合分析。目前運用多元統(tǒng)計學(xué)方法對作物多項農(nóng)藝性狀或者營養(yǎng)品質(zhì)指標進行綜合評價應(yīng)用廣泛，主成分分析法通過無量綱化處理，再把變量降維成幾個相互獨立的綜合變量，使得綜合評價更加科學(xué)準確[27-28]。王鵬偉[13]、何虎翼等[29]通過主成分和聚類分析對馬鈴薯種質(zhì)資源進行綜合評價，對研究材料進行等級劃分和適應(yīng)性評價。閆海鋒等[26]通過主成分和隸屬函數(shù)分析，從25份馬鈴薯種質(zhì)資源中篩選出6份綜合性狀較好的品種。本研究選取馬鈴薯8項性狀作為評價22份馬鈴薯品種(系)綜合性狀優(yōu)劣的指標，采用主成分分析將8個指標轉(zhuǎn)換成4個主成分指標，并對綜合得分進行排序，同時采用逐步多元回歸分析建模驗證，然后應(yīng)用歐式距離對供試材料進行系統(tǒng)聚類分析，初步篩選出DNJ大紅心、DNJ小紅心、D 15-5(4)-1.4、桂農(nóng)薯1號、桂彩薯1號、D 18-15(3)-2、D 3-25(39)-1共7份馬鈴薯優(yōu)良種質(zhì)。

綜上所述，本試驗通過對22份馬鈴薯種質(zhì)的株高、主莖數(shù)、單產(chǎn)、干物率、還原糖、淀粉、花色苷、蛋白質(zhì)等性狀指標進行系統(tǒng)比較分析，并適用主成分分析和系統(tǒng)聚類分析對馬鈴薯種質(zhì)在廣西崇左地區(qū)的適應(yīng)性進行綜合評價，初步篩選出7份馬鈴薯優(yōu)良種質(zhì)，為篩選適宜廣西崇左地區(qū)的優(yōu)良馬鈴薯品種及推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。