玉米杂交种耐盐碱性的主成分分析及综合评价

Principal component analysis and comprehensive evaluation of salt and alkaline tolerance in maize hybrids

摘要

目的 筛选适合宁夏引黄灌区盐碱化土壤种植的耐盐碱玉米杂交种。 方法 采用宁夏农科院选育的30份玉米杂交种株高、穗位高、茎粗、穗长、穗粗、单穗质量、出苗率等14个性状指标，基于主成分分析和聚类分析综合筛选耐盐碱玉米杂交种。 结果 主成分分析结果表明，将14农艺性状转化成5个主成分因子，代表原始数据信息量85.57%，并选出单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率5个耐盐碱评价指标；宁禾1822、宁禾2021、宁禾1948、宁禾2035和先玉1225这5份玉米杂交种耐盐碱性较好。聚类分析将30份耐盐碱品种分为3种类型，结果与主成分分析基本一致。 结论 通过2种分析方法筛选出5份耐盐碱性较强的杂交种，给宁夏平罗盐碱地玉米种植提供理论参考。

Abstract

Objective To select the saline-alkali tolerant maize hybrid varieties suitable for cultivation in saline-alkaline soils in Ningxia Yellow River irrigated area. Method Based on 14 trait indicators including plant height，ear height，stem diameter，ear length，ear diameter，single ear weight and emergence rate of 30 maize hybrid combinations bred and introduced by Ningxia Academy of Agricultural and Forestry Sciences.Comprehensive evaluation of saline-alkaline tolerant maize hybrid combinations by cluster analysis and principal component analysis. Result The result of principal component analysis showed that the 14 agronomic traits were transformed into 5 principal component factors，representing 85.57% of the original data information.There are five evaluation indictors for salinity and alkali resistance.Ninghe 1822，Ninghe 1822，Ninghe 1822，Ninghe 1822 and Xianyu1225 have better salinity and alkali resistance.Meanwhile，the 30 salinity tolerant varieties were divided into three types by cluster analysis，and the results were basically consistent with the principal component analysis. Conclusion There are five hybrid maize with strong saline-alkaline tolerance were screened out by two analytical methods，which provided theoretical reference for the cultivation of saline-alkaline land in Pingluo，Ningxia.

Graphical abstract

关键词

玉米杂交组合 / 耐盐碱性 / 性状指标 / 主成分分析 / 聚类分析

Key words

maize hybrid combination / salinity tolerance / trait index / principal component analysis / cluster analysis

Author summay

伏晓昭，硕士研究生。E-mail：[e-mail]

土壤盐分和碱度是限制植物生长的重要因素，也是影响农业可持续发展的重要影响因素^［1-2］。我国盐碱地面积大约9 913万hm²，由于气候变化恶劣和地下咸水灌溉，造成次生盐碱化耕地面积逐年增加^［3-4］。品种评价体系是育种筛选优质种质资源的重要途径，植物的耐盐碱是多种因素共同调控，用因子分析法确定指标权重，通过主成分析法可进行综合评价^［5-8］。张会丽等，应用主成分分析对30份不同生育期青贮玉米品种试验材料耐盐碱的敏感程度综合评价，根据评价值大小将玉米品种可分为强耐盐碱性、中耐盐碱性和耐盐碱性^［8］。邓杰等，对89份玉米试验材料应用主成分分析及聚类分析方法综合评价^［9］。主成分分析是一种降维思想，把复杂的多因素问题，转化成几个主成分因子反映其原始数据大部分信息。主成分分析及聚类分析方法分析玉米不同时期不同性状和耐盐碱性的关系，如玉米成熟期株高、穗粗、穗位高、秃尖等表型产量；玉米幼苗期发芽率、盐害指数、胚生长及生理激素的变化综合评价玉米耐盐碱性，可增加多方面评价结果客观真实性^［2，10］。

植物受到盐碱胁迫时会引起生理反应，离子平衡、气孔运动、分泌活性氧等维持正常代谢^［11］，但是土壤环境pH值升高，植物分泌有机酸无法降低根际土壤酸度，不溶性物质植物无法吸收，成活率下降，导致玉米产量降低，因此，丰富耐盐碱种质资源是有效应对方法之一^［12-16］。本试验应用盐碱地产量农艺性状，单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率等14个指标基于主成分分析和聚类分析对30份玉米杂交组合进行综合评价，给宁夏平罗盐碱地玉米种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用已经通过审定并在宁夏引黄灌区大面积种植的不同类型玉米品种先玉335、先玉1225、正大12、宁单31号、宁单53号、宁甜糯1号和宁单47号，以及自育的不同类型玉米新组合共计30份。

1.2 试验设计

试验于2020年和2021年种植在宁夏农林科学院银北盐碱土改良实验基地，位置N 38°51′、E 106°31′，海拔1 055 m。土壤为盐碱化灌淤土，黄河水自流渠灌。播种时取（0~20 cm）表层土壤化验，土壤全盐含量5.8 g/kg、pH 8.5、有机质44.8 g/kg、水解性氮56.2 mg/kg、有效磷26.4 mg/kg、速效钾0.277 g/kg、全钙4.12 g/kg、全钾43.8 g/kg、全钠38.8 g/kg、氯离子0.77 g/kg。

采用春播玉米单种方式，随机区组排列，每年2次重复，每小区3行，行长5.0 m，行距0.60 m，株距0.222 m，每行23 株，单粒播种，设计密度75 000 株/hm²。全生育期玉米施用基肥和追肥，共计N（纯氮）330.0 kg/hm²、P₂O₅（五氧化二磷）138.0 kg/hm²、K₂O（氧化钾）90.0 kg/hm²，适时进行田间进行管理，盐碱胁迫出苗不好的品种及时补种，防止边际效应影响试验。

1.3 性状测定方法

田间及时记载生育期，乳熟末期，每个小区选取10株（行边株除外）生长正常的代表性植株挂牌，按序测量株高（X₁）、穗位高（X₂）和茎粗（X₃）。玉米生理成熟期，将10株挂牌植株收获晒晾、考种脱粒，将穗粒性状中的称重数据折算到籽粒含水量国标14%时统计。测定穗长（X₄）、穗粗（Ｘ₅）、秃尖长（Ｘ₆）、穗行数（Ｘ₇）、行粒数（Ｘ₈）、籽粒长（Ｘ₉）、单穗质量（Ｘ₁₀）、单穗粒质量（Ｘ₁₁）、出籽率（Ｘ₁₂）、百粒质量（Ｘ₁₃）和出苗率（Ｘ₁₄）。

1.4 数据分析与统计

每一玉米品种每个年度2次重复，每个重复10株，测量值的平均值代表品种整体数据进行运算分析。利用统计软件DPS 7.05和SPSS 19.0进行主成分分析与聚类分析。

2 结果与分析

2.1 玉米主要性状测定值

根据对宁夏平罗盐碱地30份玉米杂交种14个观测指标分析，如表1所示，其中秃尖长变异系数最高45..22%，穗行数35.14%，穗位高23.69%；出籽率、出苗率变异系数最小3.83%和 4.84%；其他观测指标从小到大依次穗粗、穗长、籽粒长、行粒数、株高、百粒质量、单穗粒质量、单穗质量。

根据表2所示，株高和穗位高有极显著正相关性，穗位高与出籽率有极显著负相关性，说明矮化株高，降低穗位，可以提升出籽率。穗长和穗粗与单穗质量和单穗粒质量在P<0.01水平有极显著正相关性，说明玉米穗长与穗粗对产量有极显著影响。

2.2 玉米杂交组合主要农艺性状主成分分析

利用DPS对30个杂交玉米种的14个农艺性状指标进行主成分分析，结果如表3所示。主成分个数的提取原则为主成分对应的特征值大于1 且主成分累计贡献率≥85%的前5个主成分，可以代表参与耐盐碱综合评价的绝大部分信息。由表3可知，第1主分量贡献率为33.2%，说明第1主成分能解释玉米性状指标变异的33.2%；第2主分量贡献率为 18.3%，第2主成分能解释玉米性状指标变异的18.3%；第3主分、第4主分和第5主成分量贡献率分别为14.0%，12.3%和7.9%。前5个主成分累计方差贡献率达85.57%，且这5个主成分的特征值都大于1，能有效解释玉米品种性状指标总变异，因此可以用前5个主成分代替上述14个性状指标对玉米的品种耐盐碱性进行评价与判断。

为了全面而客观的评价本试验参与评价的30个杂交组合。由表4可知，第1主成分上的载荷值为正值且较大的是单穗质量、单穗粒质量、穗长和籽粒数，载荷值分别是0.969 9、0.940 8、0.850 1和0.740 9，所以单穗质量、单穗粒质量、穗长和籽粒数可作第1主成分中的代表性评价指标；第2主成分上的载荷值较大的是穗行数、株高、秃尖长，载荷值分别是0.784 6、0.723 8、0.634 8，因此穗行数、株高、秃尖长可作第2主成分中的代表性评价指标；第3主成分、第4主成分和第5主成分的载荷值最高的是出籽率0.772 6、茎粗0.528 0和出苗率0.593 4，即出籽率、茎粗和出苗率可作为第3主成分、第4主分成和第5主成分的代表性评价指标。综上所述，单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率可作为耐盐碱评价指标。

2.3 各性状指标综合效益值分析

根据主成分分析数学模型及线性指标对应的特征向量值可以组合得到5个主成分与14项性状指标的线性公式：

第1主因子

F₁=0.114 5X₁+0.114 5X₂+0.071 5X₃+0.394 3X₄+0.287 3X₅-0.041 6X₆+0.057X₇+0.310 3X₈+0.343 6X₉+0.449 8X₁₀+0.436 3X₁₁-0.169 6X₁₂+0.298 1X₁₃+0.031 9X₁₄ （1）

第2主因子

F₂=0.452 8X₁+0.351 4X₂-0.260 7X₃-0.143 3X₄+0.270 8X₅+0.397 1X₆+0.490 8X₇-0.159 3X₈+0.095 9X₉-0.034 4X₁₀-0.038 4X₁₁-0.015 2X₁₂-0.218 7X₁₃+0.160 5X₁₄ （2）

第3主因子

F₃=-0.094 6X₁-0.448 1X₂-0.377 6X₃+0.046 3X₄-0.094 7X₅+0.332 5X₆-0.055X₇+0.272 8X₈+0.241 5X₉+0.032 9X₁₀+0.148 9X₁₁+0.552 5X₁₂-0.150 8X₁₃+0.197 4X₁₄ （3）

第4主因子

F₄=0.284 2X₁+0.265 2X₂+0.387 6X₃+0.222 6X₄-0.41X₅+0.210 2X₆-0.295 4X₇+0.304 2X₈+0.086 X₉-0.122 5X₁₀-0.139 4X₁₁-0.063 6X₁₂-0.223 4X₁₃+0.401 5X₁₄ （4）

第5主因子

F₅=0.165 4X₁+0.166 1X₂-0.237 0X₃-0.094 2X₄-0.018 9X₅ - 0.325 2X₆- 0.217 7X₇- 0.304 0X₈+0.044 8X₉ - 0.052 9X₁₀- 0.002 9X₁₁+ 0.248 2X₁₂+0.498 2X₁₃+0.565 2X₁₄ （5）

根据研究建立主成分综合得分模型，将30份玉米杂交组合的14个性状指标进行标准化处理，将标准化值带入表达式中F综合，即可得到30份杂交组合在5个主成分上的得分。最后计算综合得分值，即以5个主成分对应的方差贡献率为权数，将5个主成分进行加权平均：F综合=（0.332 1F₁+0.182 5F₂+0.139 7F₃+0.122 7F₄+0.078 7F₅）/0.855 7。

根据主成分综合得分模型，计算结果如表6所示，宁禾1822、宁禾2021、宁禾1948、宁禾2035和先玉1225综合效益最高，耐盐碱性较强；综合效益较差的杂交种是宁单47、宁禾1955、宁甜糯1号、宁禾1862和宁禾1957；宁禾1953、宁禾1777、宁单53、宁禾1776和宁禾2009中性耐盐碱杂交种。

2.4 玉米杂交组合与农艺性状的聚类分析

30份玉米杂交组合的14个农艺性状指标标准化处理，利用SPSS进行聚类分析，得到30份杂交玉米种的聚类图（图1）。由图1可以分析得出，30份杂交种分成三种类型，第Ⅰ类型耐盐碱较强的种是宁禾1822、宁禾2021、宁禾1948、先玉1225、和宁禾1956；第Ⅱ类型中性耐盐碱性杂交种宁禾1953、先玉335、宁禾1776、宁禾1947和宁禾1845；第Ⅲ类耐盐碱性种，宁单47、宁禾1957、宁甜糯1号、宁禾1955和宁单53。这与主成分分析结果基本一致。

3 讨论

本试验应用2020~2021年宁夏平罗耐盐碱玉米杂交种生长数据，采用主成分分析与聚类分析对单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率等14个田间农艺性状分析，其中单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率可作为耐盐碱综合评价指标。主成分分析法，基于多种性状指标，可以客观的反映出杂交组合的综合效益^［15］。玉米生长发育易受生理生化、生长指标等多因素影响，即玉米耐盐碱性指标筛选复杂，主成分分析方法从多种农艺性状选择有代表性、侧重性的几种性状表达大部分原始数据信息量，评价方式科学合理^［16-18］。聚类分析法可将30份耐盐碱玉米杂交组合属性相似的大致分为3类，2种耐盐碱评价结果基本一致。张会丽等^［19］研究发现，仅用K⁺/Na⁺和光合指标在玉米成熟期不能真实反映其耐盐性。李乔等^［20］发现玉米苗期株高可作为耐盐碱评价指标，并排除不同基因型影响。景宇鹏等^［21］筛选出发芽率、株高、脯氨酸含量等评价玉米耐盐碱影响。可见，植物耐盐碱指标筛选具有一定的倾向，本研究筛选出的耐盐碱指标出籽率、出苗率、单穗质量等均为重要的产量性状，根据大量研究发现，植物随着盐碱胁迫增强，出苗率、株高显著降低^［22］。因此，本试验筛选的耐盐碱评价指标具有可参考性。

不同杂交种对盐碱地的敏感程度不同，经过多人研究杂交种在光合效率、配合力等方面有明显的优势，但是杂交组合父母本不同杂交优势的大小也有差异，耐盐碱能力也会有差异^［23］。本研究结果表明30份杂交组合耐盐碱能力不同，宁禾1822>宁禾2021>宁禾1948>宁禾2035>先玉1225，筛选出前5份杂交种在pH值接近8.5、全钠41.8 g/kg的盐碱环境长势、发芽率等表现较好，所以可给中度耐盐碱胁迫玉米杂交组合种植提供理论依据。但是其耐盐碱pH值具体范围及能力大小有待进一步探究。

4 结论

本试验通过主成分分析法和聚类分析1）筛选单穗质量、穗行数、出籽率、茎粗、出苗率作为耐盐碱评价指标。2）选出5份耐盐碱最优杂交种宁禾1822、宁禾2021、宁禾1948、宁禾2035和先玉1225。3） 5份耐盐碱杂交种在pH值9.01盐碱土壤条件长势较好，可为中度以上盐碱地杂交玉米种种植提供参考。

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基金资助

国家自然科学基金项目(31860381)