統(tǒng)計(jì)學(xué)在植物品種改良中的應(yīng)用研究論文
摘要：本文通過(guò)在植物品種改良中應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)部分原理，以雙因素方差分析計(jì)算區(qū)分出影響植物品種特征特性的遺傳與非遺傳因素，以累計(jì)貢獻(xiàn)率、主成分分析、通徑分析確定影響植物品種的主要性狀指標(biāo)，對(duì)育成的優(yōu)勢(shì)組合采取聚類(lèi)分析，篩選優(yōu)勢(shì)組合群體，為加快育種進(jìn)程降低育種成本提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞：統(tǒng)計(jì)學(xué)；植物育種；應(yīng)用研究
統(tǒng)計(jì)學(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)重要組成部分，統(tǒng)計(jì)學(xué)的英文名稱(chēng)為statistics，其重點(diǎn)在與對(duì)數(shù)據(jù)的收集、處理和分析，并最終從數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)科學(xué)的規(guī)律或結(jié)論。一般認(rèn)為其源于對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題的研究，歷經(jīng)“城邦政情”、“政治算數(shù)”和“統(tǒng)計(jì)分析科學(xué)”三個(gè)階段。發(fā)展至今已經(jīng)成為社會(huì)政治、經(jīng)濟(jì)、金融等眾多領(lǐng)域的重要工具。
而在農(nóng)業(yè)科學(xué)研究方面，統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用還主要存在于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)類(lèi)社會(huì)學(xué)科的應(yīng)用上，在農(nóng)業(yè)自然科學(xué)應(yīng)用方面還相對(duì)較少、應(yīng)用相對(duì)簡(jiǎn)單，主要以差異性檢驗(yàn)、相關(guān)性分析為主。
統(tǒng)計(jì)學(xué)能不能更深入一步的應(yīng)用于植物新品種的培育與資源創(chuàng)新工作呢？通過(guò)與相關(guān)科研人員接觸，參與科研活動(dòng)，筆者認(rèn)為統(tǒng)計(jì)學(xué)完全可以更深入、更廣泛的應(yīng)用于植物品種改良、資源創(chuàng)新科研工作中，為降低品種改良盲目性、提高品種改良效率、降低品種改良成本有重要意義。
1當(dāng)前農(nóng)業(yè)科研中植物品種改良的現(xiàn)狀
當(dāng)前的植物品種改良過(guò)程主要包括兩個(gè)階段：一是種質(zhì)資源的創(chuàng)新與改造，二是雜交組合的配制。其中資源的創(chuàng)新與改造是品種改良的重點(diǎn)，存在的問(wèn)題有以下兩點(diǎn)：
1.1資源性狀控制因素認(rèn)知不清，資源創(chuàng)新盲目性較大
由于多年來(lái)我國(guó)高等教育中高度精細(xì)的專(zhuān)業(yè)設(shè)置，從事品種改良的育種工作者專(zhuān)業(yè)性極強(qiáng)，知識(shí)面相對(duì)狹窄，品種選育中對(duì)資源某一性狀的掌握以縱向?yàn)橹�，缺乏橫向比對(duì)，對(duì)控制某一性狀的因素屬于遺傳或非遺傳類(lèi)型認(rèn)識(shí)不清，存在很大的選育盲目性。例如，當(dāng)前熱炒的富硒抗癌植物品種選育，問(wèn)題在于硒在該農(nóng)作物中的高含量是品種因素還是栽培因素造成的，存在著認(rèn)知不清的問(wèn)題，如不加厘清，盲目上馬選擇富硒資源，工作就存在很大的不確定性。
1.2科研投入精力與物力過(guò)大
為確定植物品種性狀為遺傳性狀，當(dāng)前開(kāi)展了大量的基因工程研究，重點(diǎn)通過(guò)分子標(biāo)記的手段來(lái)確定遺傳性狀。而通過(guò)分子進(jìn)行標(biāo)記的前提是該性狀必須為遺傳性狀，因此前期的性狀遺傳性認(rèn)定工作量非常巨大，篩選的過(guò)程不僅周期長(zhǎng)、而且設(shè)備昂貴、藥品毒性高，導(dǎo)致科研上的投入不僅科研人員精力增多、而且財(cái)力物力的投入也十分大，在一定程度上影響了育種工作的進(jìn)程。
2以統(tǒng)計(jì)學(xué)中幾個(gè)計(jì)算方法對(duì)植物品種選育的促進(jìn)作用
在上述1中存在的兩點(diǎn)問(wèn)題是當(dāng)前在植物品種改良過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，其實(shí)通過(guò)精細(xì)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)種質(zhì)資源的'相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，就能很好的助力新品種的選育工作。具體包含以雙因素方差分析：鑒別種質(zhì)資源中性狀的遺傳與非遺傳特性；以主成分分析、通徑分析：確定影響品種特性的主要性狀；以聚類(lèi)分析：對(duì)配制的雜交組合進(jìn)行規(guī)劃分類(lèi)，篩選優(yōu)良品種。
2.1以雙因素方差分析鑒定種質(zhì)資源的遺傳與非遺傳性狀
仍以富硒食品中硒的含量為例，能否開(kāi)發(fā)富硒的植物品種首先要鑒定硒在植物中的含量是否受遺傳控制，即品種間有顯著差異，這就需要排除栽培管理因素、氣候因素、人為誤差等各種因素的影響，這可總稱(chēng)為非遺傳因素，因此在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，以相同的品種群體在不同的地區(qū)間進(jìn)行生產(chǎn)繁殖，統(tǒng)一檢驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，并獲得檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。例如對(duì)10個(gè)品種分別在10個(gè)不同地區(qū)種植，取樣后檢驗(yàn)硒的含量，其中品種之間的差異代表遺傳性影響，而不同地區(qū)間的差異代表非遺傳性影響。
遺傳與非遺傳因素對(duì)品種的影響，包括在品質(zhì)、抗性、產(chǎn)量等眾多方面，均可以不同品種不同地區(qū)間相同指標(biāo)的雙因素方差分析來(lái)鑒別，因試驗(yàn)設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)檢測(cè)手段均為成熟的技術(shù)手段，所以投入的精力與財(cái)力物力會(huì)很低。對(duì)于受遺傳因素影響的性狀指標(biāo)，就可作為品種改良的重要指標(biāo)，而受非遺傳因素影響的性狀指標(biāo)，可避免徒勞的選育工作，通過(guò)栽培管理手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。
2.2以主成分分析、累計(jì)貢獻(xiàn)率、載荷和通徑分析確定品種改良的主要性狀
在植物品種改良過(guò)程中，某一方面性狀會(huì)含有很多類(lèi)詳細(xì)指標(biāo)，如品質(zhì)方面含有蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、纖維素、維生素、礦物質(zhì)、水分等等；在抗性方面含有脯胺酸、丙二醛、POD、SOD等等；在產(chǎn)量方面含有株高、單株重、單果重、密度、結(jié)果數(shù)等等。在對(duì)影響特定性狀的指標(biāo)選擇時(shí)，對(duì)一些影響較小、微乎其微的指標(biāo)就可忽略不計(jì)，重點(diǎn)對(duì)主要指標(biāo)進(jìn)行選擇。
因此，需要對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行一下主成分分析，每一項(xiàng)指標(biāo)的特征值，計(jì)算各自在整體的貢獻(xiàn)率、從貢獻(xiàn)率最大指標(biāo)開(kāi)始依次累加各指標(biāo)的貢獻(xiàn)率，獲得累計(jì)貢獻(xiàn)率，超過(guò)85%為止，這幾項(xiàng)指標(biāo)就可作為影響該品種相關(guān)性狀的主要指標(biāo)。
需要注意的是，影響某品種的某方面性狀的相關(guān)指標(biāo)有正向相關(guān)的，同時(shí)也有負(fù)向相關(guān)的。如可溶性糖含量高品質(zhì)就好，脯胺酸含量高耐寒性就好，這呈現(xiàn)的就是正相關(guān)；而苦味素含量增高品種口感品質(zhì)變差，丙二醛含量高耐寒性變差，這呈現(xiàn)的就是負(fù)相關(guān)。
因此，獲得影響性狀的主要指標(biāo)后，還要對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行一個(gè)相關(guān)性分析，確定每一項(xiàng)指標(biāo)間的正負(fù)性，在綜合考量的基礎(chǔ)上，做出最終的品種選育決定。
以谷子高品質(zhì)品種選育為例，選擇含量最高的五個(gè)指標(biāo)粗蛋白、脂肪、總碳水化合物、粗纖維、水分為分析對(duì)象。通過(guò)主成分分析，確定粗蛋白、脂肪、總碳水化合物、粗纖維這4個(gè)指標(biāo)為影響谷子品質(zhì)的主要指標(biāo)；相關(guān)性分析顯示粗蛋白與粗纖維與品質(zhì)呈負(fù)相關(guān)性，脂肪與總碳水化合物與品質(zhì)呈正相關(guān)性，通徑分析各指標(biāo)對(duì)品質(zhì)影響的直接或間接作用，因此高品質(zhì)品種的選育需要在低世代時(shí)選擇正相關(guān)的指標(biāo)，在高世代時(shí)再選擇負(fù)相關(guān)的指標(biāo)。據(jù)此就能選出營(yíng)養(yǎng)豐富、口感良好的谷子新雜交組合群體，通過(guò)最終選擇確定一個(gè)最佳品種。
2.3聚類(lèi)分析在雜交組合篩選中的應(yīng)用
在完成種質(zhì)資源創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，利用含優(yōu)良目標(biāo)性狀種質(zhì)資源配制一系列的雜交組合群體，在雜交組合群體中要優(yōu)中選優(yōu)，簡(jiǎn)單直接的直接感官測(cè)定，存在隨意性大、誤差明顯的缺點(diǎn)。科學(xué)的研究應(yīng)以數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話(huà)，因此需要對(duì)雜交組合群體進(jìn)行一次聚類(lèi)分析，將群體中組合分為優(yōu)、良、一般、差等不同等級(jí)，再在優(yōu)良的等級(jí)里選擇最優(yōu)的組合作為新品種。
聚類(lèi)分析的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是可以對(duì)聚類(lèi)后的同類(lèi)群體進(jìn)行不用用途品種的開(kāi)發(fā)。以不同季節(jié)黃瓜栽培品種選育為例，首先對(duì)配制的雜交組合進(jìn)行耐寒性聚類(lèi)分析，選擇出其中耐寒性?xún)?yōu)良的一類(lèi)，耐寒性一般、差的組合直接淘汰；耐寒性?xún)?yōu)良的一類(lèi)中根據(jù)所耐低溫度程度與耐性時(shí)間長(zhǎng)短，可將組合分成冬季溫室專(zhuān)用品種、早春大棚專(zhuān)用品種等不同的類(lèi)型。
當(dāng)然聚類(lèi)分析的缺點(diǎn)也是所有統(tǒng)計(jì)學(xué)的短板，就是無(wú)法對(duì)植物品種的描述性指標(biāo)進(jìn)行分析，因此對(duì)性狀指標(biāo)檢測(cè)時(shí)盡可能多的以數(shù)據(jù)形式進(jìn)行。如刺、毛、瘤、粒、體積等指標(biāo)，應(yīng)以單位面積或個(gè)體內(nèi)的具體數(shù)據(jù)體現(xiàn)，避免出現(xiàn)多、少、深、淺、大、小等模糊性描述性文字。
3結(jié)論與探討
綜上所述，以成熟簡(jiǎn)單的理化指標(biāo)檢測(cè)手段可以較低的成本與精力投入促進(jìn)植物新品種改良研究的進(jìn)程。統(tǒng)計(jì)分析不僅僅局限于某一個(gè)數(shù)據(jù)指標(biāo)的顯著性差異分析、相關(guān)性分析，綜合利用起來(lái)，在合理試驗(yàn)設(shè)計(jì)的條件下，可建立一套完成的品種選育流程。其中以主成分分析、貢獻(xiàn)率、累計(jì)貢獻(xiàn)率、載荷來(lái)確定種質(zhì)資源的主要性狀指標(biāo)，以相關(guān)性分析確定選擇的正負(fù)方向；對(duì)未知的有特殊價(jià)值的性狀指標(biāo)，先進(jìn)行遺傳與非遺傳因素的雙因素方差分析，確定為遺傳因素后再進(jìn)行定向的選擇，獲取或高或低的優(yōu)異種質(zhì)資源；利用已選出的優(yōu)異資源配制雜交組合，通過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行聚類(lèi)分析，選出適宜不同生產(chǎn)方式使用的植物新品種。
本研究重點(diǎn)解決的是品種選育中的盲目性，并非指生物工程、基因工程等不應(yīng)該進(jìn)行，只是在開(kāi)展生物工程、基因工程之前，對(duì)相關(guān)的性狀進(jìn)行一下初步篩選，避免盲目上馬造成的精力、物力、財(cái)力的浪費(fèi)，對(duì)確定的遺傳性性狀進(jìn)行分子標(biāo)記能讓資源改良的目的性更強(qiáng)、精準(zhǔn)性更高。
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