云南红花地方种质资源品质特性与农艺性状的聚类分析及评价

红花(Carthamus tinctorius L.2n=24)属菊科(Compositae)红兰花属(Carthamus)，别名红花菜、草红花、红兰花，一年生草本双子叶植物。原产于大西洋东部、非洲西北部的加那利群岛及地中海沿岸。种植区域分布在20°S～47°N 的范围之间，在沿海地带和半干旱地区均有种植 [1-3]。我国主要分布在甘肃、新疆、云南、四川、河南等省区。红花种植面积约6.6万hm2 ，主要是药用，部分油药兼用。在云南红花常年种植面积约1.4万hm2，主要集中在元江、红河、澜沧江、怒江、金沙江流域等地带，海拔1 000～1 600 m的地区种植[4-6]。

应用主成分分析法能够从复杂的多因素关系中揭示供试材料的特点，了解供试材料主成分构成及其特性和生物学意义，为种质资源的客观评价和筛选特异种质材料提供参考依据。聚类分析法是遗传育种和品种资源研究中普遍应用的方法之一，聚类分析既可以揭示类群间的遗传差异与相互关系，同时了解类群内品种的遗传相似性[7]。国内许多学者对红花农艺性状或种子醇溶蛋白进行了遗传多样性研究[8-10]。郭丽芬等[11]对云南红花种质资源66份材料11个数量性状进行遗传多样性分析，但是红花品质特性的分析报道较少，本研究通过对云南地方红花种质资源品质特性与农艺性状的主成分分析或聚类分析，揭示农艺性状与品质特性之间的关系，旨在为红花品质改良和特异种质资源的有效利用提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

从已收集保存48个国家的3 000多份红花资源中，提出200份红花种质资源进行种植，结合多年田间试验，筛选出40份优异种质为材料(来源地均为云南省)，供试材料编号及名称详见表1。

1.2 试验设计

试验于2011-2013年在云南省元谋县试验农场进行，试验点位于海拔1 118.4 m，E101°52′，N25°44′；年均气温21.9 ℃≥10 ℃年积温7 786 ℃，最显著的特点是高蒸发量和低降雨量，干湿季分明。年降雨量615.1 mm，雨季(5-10月)雨量占年降水量的90%以上；旱季(11-4月)年蒸发量高达3 569.2 mm，是降水量的5.8倍[12]。试验地为沙壤土，肥力中等，试验采用随机区组排列，3次重复；每个材料种4行，行长1.5 m，行距40 cm，株距15 cm。小区面积2.4 m2。其他田间管理措施根据当地种植环境和生产实际实施。

1.3 性状调查与统计分析

1.3.1 农艺性状调查农艺性状调查项目按《红花种质资源描述规范和数据标准》[13]进行，观测项目包括物候期、植物学特征特性、抗逆性等记载。成熟时每个小区随机取样10株按照文献[13]进行考种，调查株高、茎粗、第一分枝高度、最末分枝高度、分枝长度、分枝总数、单株有效果球数、顶花球直径、果球着粒数、千粒质量、单株生产力。

1.3.2 品质特性测定种子含油率的测定[14-16] ：将红花种子样品磨碎，80 ℃烘干至含水量≤5%。放入干燥器中待粉末降至室温后备用。称取该粉末10 g于100 mL锥形瓶中，加入正己烷60 mL，于100 Hz，30 ℃条件下超声 30 min，布氏漏斗抽滤，滤液于70 ℃水浴30 min，转移至烘箱中100 ℃ 烘至恒质量，得红花籽油，按含油率 = 油液质量/样品质量×100%计算。脂肪酸(棕榈酸、硬脂酸、油酸、亚油酸)测定[17-18]：量取红花籽油50 μL于10 mL试管中，加入正己烷2 mL 振荡，加入0.4 mol/L 氢氧化钾甲醇溶液 2 mL，在100 Hz，30 ℃条件下超声30 min，加入饱和氯化钠溶液2 mL，取上清液并加入无水硫酸钠1 g 脱水，取上清液置于1.5 mL 离心管中，3 000 r/min 离心5 min，取上清液作为供试品溶液。取脂肪酸对照品50 μL按上述方法处理，得对照品溶液。采用外标法分析，柱温200 ℃，汽化室温度 230 ℃，FID 温度250 ℃，柱前压1 kPa，进样量2 μL，载气N2 ，气压0.3 MPa，H2流入气压0.05 MPa，O2 流入气压0.20 MPa。蛋白质含量测定[19-20] ：用瑞士Bǜchi公司生产的B-339型半微量凯氏定氮仪参照 GB5511-1985标准进行。

1.4 数据处理及统计分析

数据分析采用Excel 2007和SPSS 18.0软件，进行主要农艺性状和品质特性的主成分分析和聚类分析，聚类分析时将原始数据进行标准化处理。主成分分析根据累计贡献率≥85%的原则，筛选主成分因子，根据各特征向量的绝对值将不同农艺性状及品质特性指标划分到不同的主成分之中。同一指标在各因子中的最大绝对值所在位置即为其所属主成分。采用欧氏距离和离差平方和法进行系统聚类。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

2.1.1 农艺性状主成分分析对12个农艺性状进行主成分分析，采用SPSS 18.0 软件计算出各主成分的特征向量和贡献率(表2)。前5个主成分累计贡献率为 86.7468%。第一主成分特征值为3.5791，贡献率是29.8259%，其特征向量所凝聚的生物学信息主要跟植株高度相关，故称为株高构成因子。其特征向量间关系表明，株高越高，其所承载的最末分枝高度、第一分枝高度数值就越大；分枝总数、单株有效果球数就越少，导致单株生产力下降。第二主成分特征值为2.9813，贡献率是24.8441%，其性状特征值最大的是单株有效果球数，此性状与产量关系最密切，因而称为产量构成因子。该性状与分枝总数相关，其凝聚的向量关系表明：单株有效果球数过多，顶花球直径就变小，但是生育期适中有利于单株生产力的提高。第三主成分特征值为1.879 3，贡献率是15.6605%，性状特征值最大的是顶花球直径，直径越大果球越大，但是分枝总数、单株有效果球数就会变少，故称其为大果球构成因子。从向量关系可看出：果球直径越大，分枝总数、单株有效果球数越少，籽粒变小千粒质量降低。第四主成分特征值为1.247 7，贡献率是10.397 8%，其性状特征数值最大的是千粒质量，可称为籽粒大小构成因子。但是，分枝长度、分枝总数和单株有效果球数呈负相关关系。向量关系表明：千粒质量增加，生育期延长，影响了单株有效果球数和分枝总数的增加，从而限制单株生产力的提高。第五主成分特征值为0.722 2，贡献率是6.018 5%，其性状特征值中最大的是第一分枝高度，故称其为分枝高度构成因子。生育期、茎粗和分枝长度呈负相关关系。向量关系表明：生育期过早、茎粗过细和分枝短，直接影响单株有效果球数和单株生产力的提高。

2.1.2 品质特性主成分分析各主成分的特征向量和贡献率见表3。前4个主成分累计贡献率达89.4747%。第一主成分特征值为2.268 6，贡献率是37.8104%，其性状特征值由大到小依次是：油酸、蛋白质和棕榈酸，且彼此间呈正相关性，故称其为油酸因子。向量关系显示：随着油酸的增高，亚油酸和硬脂酸则会降低。第二主成分特征值为1.544 1，贡献率为25.7352%，该主成分特征值最大的是含油率，可称为含油率因子。向量关系表明：随着含油率的增高，棕榈酸和硬脂酸也相应增高，而油酸和亚油酸一般会降低。第三主成分特征值为0.857 3，贡献率为14.2882%，在第三主成分中蛋白质含量起重要作用，故称为蛋白质因子。其中，含油率的特征向量载荷也较大，而硬脂酸、油酸和棕榈酸的特征向量为负值。第四主成分特征值为0.698 5，贡献率为11.6409%，该主成分中特征值最大的是硬脂酸，可称其为硬脂酸因子。棕榈酸的特征向量载荷也较大，其特征向量为负值，由于硬脂酸和棕榈酸之间呈负相关，故在红花品质改良中不应过分追求高棕榈酸品种，而应选择综合品质性状优良(含油率高、蛋白质和亚油酸含量高)的品种进行利用。

2.2 聚类分析

2.2.1 农艺性状的聚类分析采用SPSS 18.0 软件，根据12个农艺性状在40份红花种质资源间的不同表现，以欧氏距离为遗传距离，聚类分析采用离差平方和法，在遗传距离9.20处将供试材料聚为5大类群( 图1)，各品种类群的均值列于表4。

聚类结果表明：第Ⅰ类群包含11个材料，占参试材料的27.5%，特征表现为生育期稍长，千粒质量高，分枝总数、单株有效果球数和果球着粒数中等。第Ⅱ类群包含13个材料，占参试材料的32.5%，这一类群材料表现一般。第Ⅲ类群包含8个材料，占参试材料的20.0%，特征表现为果球大、果球着粒数多及单株生产力高。第Ⅳ类群包含5个材料，占参试材料的12.5%，该类群材料表现为生育期短，矮秆，分枝多，单株有效果球数多，千粒质量和单株生产力高。第Ⅴ类群包含3个材料，占参试材料的7.5%，这一类群材料特征较突出，表现为分枝多、单株有效果球数多、果球着粒数多、千粒质量和单株生产力高。培育高产品种可以从第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类群中筛选，作为高产育种的亲本材料加以利用。

2.2.2 红花品质特性的聚类分析聚类分析结果表明：在遗传距离为9.35处将供试材料聚为3大类群(图2和表5)。第Ⅰ类：亚油酸、含油率、蛋白质和棕榈酸含量高，依次为75.30%，31.54%，17.22%，7.72%；可利用这类品质优良的材料作为亲本选育优质品种。第Ⅱ类亚油酸含量较高，达76.78%居参试材料首位，可作为有针对性的品质选育亲本材料加以利用。第Ⅲ类为油酸含量高和蛋白质含量高的材料，可针对品质的需求选择性的利用。

3 讨论

3.1 主成分分析

主成分分析是利用几个综合因子代表原来众多的变量，使这些综合因子尽可能地反映原来变量的绝大部分信息[21]。由于这些综合因子提供了原性状 85% 以上的综合信息，而且是相对独立的指标体系，数值直观且容易分析。所以，将主成分分析用于红花农艺性状和品质特性的评价和筛选，既能把握其综合性状表现，又能简化选择程序[22-23] 。对产量贡献由大到小的主成分顺序是：株高构成因子 >单株果球数构成因子>大果球构成因子>籽粒大小构成因子>第一分枝高度构成因子。第二主成分中贡献率最大的主成分载荷是单株有效果球数(0. 455 1)，研究表明，在12个农艺性状中单株有效果球数较其他农艺性状对产量的影响最大。这与杨玉霞等[24]研究结果相符。单株有效果球数在产量构成因素中起最大作用，通过增加单株有效果球数比依靠增加果球着粒数提高每果球粒数的效果明显，所以单株有效果球数在高产育种中具有一定的潜力[25-26]。根据各主成分对高产育种的价值，入选材料应是第一主成分适中，第二主成分偏大，第三、四、五主成分适中。对品质特性贡献由大到小的主成分顺序是：油酸因子>含油率因子>蛋白质因子>硬脂酸因子。第二主成分中载荷最大的品质特性是含油率(0.591 4)，在红花品质改良中含油率高、亚油酸和蛋白质高是红花品种选育的目标之一[27]。因此，根据各主成分对品质改良的价值，入选材料应是第一主成分适中，第二、三主成分偏大，第四主成分适中。

3.2 聚类分析

聚类分析在研究作物品种资源的差异和分类方面，实践证明是比较可行的分析评价方法。参与聚类的性状越多越能综合反映品种(系)的客观实际，所以许多学者在主成分分析的基础上进行聚类分析[28-30]。第一利用主成分分析法能够从复杂的多因素关系中揭示供试材料的特点，可以用尽可能少的主成分反映出生物学的大部分信息，减少统计的复杂性[31]；第二在主成分分析的结果上进行聚类分析，过程简便分析可靠，能为亲本选配提供更科学的依据；第三基于主成分或因子的聚类分析比单独的聚类分析在揭示品种差异方面更精确[32]。根据农艺性状聚类分析结果，高产育种选择亲本应从第Ⅳ类和第Ⅴ类群中筛选，品质特性优质育种选择亲本应从第Ⅰ类和Ⅱ类群中筛选。农艺性状聚类结果显示，第Ⅳ类群和第Ⅴ类群为矮秆，分枝多，单株有效果球数多，千粒质量高，丰产性较好，综合农艺性状优良的特点，可作为高产育种选择的亲本材料加以利用。

[1] 王兆木.世界红花种质资源评价与利用[M].北京：中国科学技术出版社，1993：26-58.

[2] 刘旭云，严兴初，杨谨，等.红花种质资源的保护与利用[M].云南：云南科技出版社，2017：79-141.

[3] 谭美莲，严明芳，汪磊，等.世界特种油料种质资源保存概况[J].植物遗传资源学报，2011，12(3)：339-345.

[4] 苗利娟，张新友，黄冰艳，等.河南省花生农家品种资源农艺和品质性状分析[J].植物遗传资源学报，2016，17(5)：854-860.

[5] 王沛琦，胡尊红，胡学礼，等.红花种质资源色价及主要产量性状的聚类分析[J].植物遗传资源学报，2018，19(5)：857-864.

[6] 胡学礼，胡尊红，杨谨，等.云南红花的研究进展[J].农学学报，2018，8(5)：1-6.

[7] 张加强，陈常理，骆霞虹，等.26份黄麻种质资源产量性状的主成分聚类分析及其评价[J].植物遗传资源学报，2016，17(3)：475-482.

[8] 刘仁建，吴卫，郑有良，等.红花(Carthamus tinctorius L.)种子醇溶蛋白遗传多样性分析[J].中国油料作物学报，2006，28(2)：109-114.

[9] 官玲亮，吴卫，郑有良，等.油用型红花(Carthamus tinctoris L.)种子醇溶蛋白遗传多样性分析[J].种子，2007，26(4)：6-10.

[10] 邓传良，张准超，贾彦彦，等.中国红花种子醇溶蛋白遗传多样性研究[J].种子，2010，29(10)：28-31.

[11] 郭丽芬，徐宁生，张跃，等.云南红花种质资源主要农艺性状的遗传多样性分析[J].植物遗传资源学报，2012，13(2)：219-225.

[12] 张建平.元谋干热河谷区蒸发量减少原因的灰色关联分析[J].云南地理环境研究，1994，6(2)：68-75.

[13] 杨建国，刘旭云，严兴初，等.红花种质资源描述规范和数据标准[M].北京：中国农业出版社，2007：3-42.

[14] 刘仁建.红花种子醇溶蛋白及其含油率和脂肪酸分析[D].雅安：四川农业大学，2006.

[15] 冯棋琴.超声对红花籽油性质影响及其提取与分离研究[D].天津：天津科技大学，2009.

[16] 胡爱军，孙连立，郑捷，等.超声波促进水酶法提取红花籽油工艺研究[J].粮食与油脂，2012，25(7)：20-22.

[17] 杨国龙，毕艳兰，马宇翔，等.甲酯化方法对油脂脂肪酸组成分析的影响[C]//中国粮油学会油脂分会第十六届学术年会论文集，天津，2007：78-81.

[18] 赵雷，刘国琴，李琳，等.超声波加速脂肪酸甲酯化的研究[J].中国油脂，2008，33(1)：33-36.

[19] 付那，李心文，逯晓萍，等.红花蛋白的提取及利用价值评价[J].内蒙古农牧学院学报，1996，17(4)：7-11.

[20] 程雪妮，李依明，雷忠萍，等.九份紫色蓝色小麦的麦谷蛋白、醇溶蛋白和农艺性状分析[J].华北农学报，2016，31(5)：108-113.

[21] 尹会会，李秋芝，李海涛，等.134份国外陆地棉种质主要农艺性状与纤维品质性状的遗传多样性分析[J].植物遗传资源学报，2017，18(6)：1105-1115.

[22] 徐守俊，孙学成，胡承孝，等.不同大豆品种钼富集因素的主成分分析和聚类分析[J].华北农学报，2016，31(S)：399-404.

[23] 史宏.不同生态类型大豆农艺性状与产量关系的研究[J].华北农学报，2018，33(1)：150-159.

[24] 杨玉霞，吴卫，郑有良，等.红花主要农艺性状与单株籽粒产量的相关和通径分析[J].种子，2005，24(11)：21-24，27.

[25] 郭丽芬，张跃，徐宁生，等.红花种质资源形态性状遗传多样性分析[J].热带作物学报，2015，36(1)：83-91.

[26] 郭丽芬，张跃，徐宁生，等.红花种质资源主要数量性状的灰色关联度分析[J].西南农业学报，2013，26(1)：328-333.

[27] 刘超，王林，赵小磊，等.不同种植密度对红花产量和品质的影响[J].河南中医学院学报，2006，21(4)：17-18.

[28] 要燕杰，高翔，吴丹，等.小麦农艺性状与品质特性的多元分析与评价[J].植物遗传资源学报，2014，15(1)：38-47.

[29] 许兰杰，侯起岭，侯春雨，等.不同抗蚜性小麦品种(系)的遗传多样性 SSR 标记分析[J].华北农学报，2014，29(5)：119-124.

[30] 刘青松，陈立波，李志勇，等.不同苜蓿农艺性状研究及ISSR分子标记分析[J].华北农学报，2014，29(3)：109-114.

[31] 董章辉，赵丽芬，赵彦坤，等.83份早熟抗虫棉种质资源的SSR标记聚类分析[J].华北农学报，2015，30(S)：46-50.

[32] 谷静丛，王冲，王国琴，等.110份普通玉米自交系的SSR聚类分析[J].华北农学报，2014，29(6)：101-105.