杜慶鑫 劉攀峰 魏艷秀 慶 軍 杜紅巖

(中國林業(yè)科學研究院經濟林研究開發(fā)中心，國家林業(yè)局杜仲工程技術研究中心，鄭州 450003)

基于主成分與聚類分析的杜仲雄花品質綜合評價

杜慶鑫 劉攀峰 魏艷秀 慶 軍 杜紅巖*

(中國林業(yè)科學研究院經濟林研究開發(fā)中心，國家林業(yè)局杜仲工程技術研究中心，鄭州 450003)

為有效利用杜仲雄花資源，以193份杜仲種質為試材，采用主成分分析和聚類分析方法開展了品質評價指標篩選和種質資源綜合評價研究。結果表明：含水率和氨基酸含量在不同種質間變異系數(shù)較小，其它性狀變異系數(shù)較大。主成分分析顯示反映杜仲雄花品質的17個性狀可用8個主成分來表示(累積貢獻率達85.777%)，篩選出雄蕊長度、單株產量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率這8個性狀用于杜仲雄花品質綜合評價。經綜合評價，編號為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x、10497x的杜仲雄花品質相對較好。對193份杜仲種質進行Q型聚類，在遺傳距離7.0處可劃分為四類，第Ⅲ類群杜仲種質雄花綜合性狀較好，與主成分分析綜合評價結果基本一致，第Ⅱ類群杜仲雄花8種活性成分含量均較高，第Ⅳ類群杜仲雄花形態(tài)性狀表現(xiàn)也較好?？蔀槎胖倭挤N選育及雄花資源開發(fā)利用提供參考依據。

杜仲；雄花；品質；主成分分析；聚類分析

杜仲(EucommiaulmoidesOliv.)為杜仲科(Eucommiaceae)杜仲屬(Eucommia)植物，別名思仙、思仲、扯絲皮、絲綿樹等，是我國特有的經濟樹種和天然藥食兩用植物[1～2]。杜仲雌雄異株，雄花簇生于當年生枝條基部，產量高，易于采集[3～4]。杜仲雄花富含多種功能活性成分，主要有環(huán)烯醚萜類(如京尼平苷酸、桃葉珊瑚苷和京尼平苷)、苯丙素類(如綠原酸)、黃酮類(如異槲皮苷和紫云英苷)以及氨基酸等，具有抗菌、抗腫瘤、降血壓血脂、保肝利膽、保護心腦血管等功效[5～6]。

杜仲雄花資源開發(fā)利用具有廣闊的市場前景，目前杜仲雄花已被列為新食品原料，以杜仲雄花為原料開發(fā)出的杜仲雄花茶、杜仲雄花酒、杜仲雄花功能飲料等產品含有多種生物活性物質，具有良好的醫(yī)療保健功能，備受市場青睞[7～8]。我國擁有豐富的杜仲雄花資源，加大對杜仲雄花資源的開發(fā)及良種選育可以更好地適應市場的需求，因此，杜仲雄花品質綜合評價就顯得尤為重要，與杜仲雄花品質相關的性狀，既包括花徑、花高、鮮重、干重、雄蕊長度等形態(tài)性狀，又包括雄花中的活性成分含量，如桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸、總黃酮、氨基酸等研究較多的活性成分，對這些性狀進行研究有助于促進杜仲雄花資源開發(fā)利用及育種工作，同時對杜仲雄花相關產品品質有著重要的應用價值。

目前采用主成分分析和聚類分析對果樹、蔬菜品質評價因子篩選和品質綜合評價研究的報道較多。聶繼云等[9]采用主成分分析和聚類分析確定了蘋果(Malusdomestica)代表性理化指標，為蘋果品質評價奠定了基礎。韓澤群等[10]采用主成分分析對加工番茄(LycopersiconesculentumMill.)進行多性狀綜合評價，確定了評價加工番茄的5個主要指標8個主要性狀。本研究通過對193份杜仲種質雄花主要性狀進行測定，采用主成分分析法和聚類分析法對各性狀進行分析，進而對杜仲雄花品質綜合評價，初步明確杜仲雄花品質評價中的主要影響因子，并篩選出部分綜合品質較高的杜仲種質，為杜仲良種選育及雄花資源開發(fā)利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試杜仲材料193份，均采自中國林業(yè)科學研究院經濟林研究開發(fā)中心原陽試驗基地(113°36′E，34°55′N)杜仲基因庫，基因庫采用6株小區(qū)，定植行間距為3 m×3 m。每份試驗材料選取6株樹，每株樹均于盛花期分別在樹冠中部的東、西、南、北4個方向采摘雄花各約10簇，低溫冷藏帶回實驗，保存?zhèn)溆谩?/p>

蘆丁、桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、京尼平苷、綠原酸、異槲皮苷、紫云英苷對照品上海源葉生物科技有限公司；17種氨基酸標準品標準品美國Sigma公司；甲醇(色譜純)天津四友精細化工試劑廠；所有分離用有機溶劑均為國產分析純。

1.2 性狀選取及測定方法

形態(tài)性狀測定隨機選取10簇雄花，花徑、花高、雄蕊長度用游標卡尺測定，精確到0.01 mm；鮮重、干重(均為單花質量)，用電子天平稱取，精確到0.001 g，含水率%=(鮮重-干重)×100/鮮重；雄蕊數(shù)直接計數(shù)，千蕊重=20枚雄蕊重×50，其中20枚雄蕊重用電子天平稱取，精確到0.001 g，單株產量=開花枝數(shù)×樣枝平均質量，統(tǒng)計開花枝數(shù)，選取1個代表開花平均狀況主枝，統(tǒng)計雄花產量?？傸S酮含量測定采用分光光度法[11]，氨基酸含量測定采用全自動氨基酸分析儀[12]，桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸、京尼平苷、異槲皮苷、紫云英苷等6種活性成分含量測定采用改進HPLC法[13]，8種活性成分含量的測定結果均為3次重復的平均值。

1.3 數(shù)據統(tǒng)計分析

采用SPSS20.0對相關數(shù)據進行分析。主成分分析以累積方差貢獻率≥85%為提取主成分的標準[14]，聚類分析采用離差平方和法。杜仲雄花品質綜合評價方法為：以各主成分對應的方差貢獻率作為權重，各主成分得分與相應權重進行線性加權求和得到綜合評價函數(shù)[15]。主要公式如下：

T=∑Ti×βi

(1)

式中：i=1～8，T為杜仲雄花品質綜合評價得分，Ti為各主成分得分值，βi為各主成分對應的方差貢獻率。

Ti=∑Zi×Xj

(2)

式中：i=1～8，j=1～17，Z為主成分向量值，X為各主成分對應的性狀。

2 結果與分析

2.1 杜仲雄花主要性狀的測定分析

供試杜仲雄花17項主要性狀特征見表1。193份杜仲雄花主要性狀平均變異系數(shù)為43.34%，其中，京尼平苷含量變異系數(shù)最大，為112%，紫云英苷含量、京尼平苷酸含量的變異系數(shù)次之，分別為89.56%和88.60%；含水率和氨基酸含量變異系數(shù)最小，分別為5.18%和12.52%。結果表明，不同種質間杜仲雄花主要性狀存在較大變異，表現(xiàn)出了不同程度的多樣性。

表1 杜仲雄花主要性狀的測定結果

2.2 杜仲雄花主要性狀的主成分分析

對193份杜仲雄花主要性狀進行主成分分析，結果見表2。前8個主成分的累積貢獻率為85.777%，基本包含了杜仲雄花17個性狀的大部分信息。因此選取前8個主成分作為綜合指標對其品質進行綜合評價。第1主成分貢獻率為30.221%，決定其大小的主要是鮮重、干重、單株產量、雄蕊數(shù)、花徑和花高；第2主成分貢獻率為15.441%，決定其大小的主要是雄蕊長度、千蕊重和花高；第3主成分貢獻率為9.345%，決定其大小的主要是京尼平苷酸、桃葉珊瑚苷和京尼平苷含量；第4主成分貢獻率為7.841%，決定其大小的主要是紫云英苷和異槲皮苷含量；第5主成分貢獻率為7.069%，決定其大小的主要是含水率；第6主成分貢獻率為6.534%，決定其大小的主要是氨基酸含量；第7主成分貢獻率為5.128%，決定其大小的主要是總黃酮含量；第8主成分貢獻率為4.199%，決定其大小的主要是綠原酸含量。根據雄花性狀在各主成分中正系數(shù)的大小，確定單株產量、雄蕊長度、京尼平苷酸、異槲皮苷、氨基酸、總黃酮、綠原酸含量以及含水率8個因子可用來綜合評價杜仲雄花品質。

2.3 杜仲雄花品質綜合評價

經主成分分析提取了8個主成分，計算193份杜仲資源雄花在各個主成分中的得分及綜合得分，并按照5%入選率確定8種類型性狀優(yōu)良的杜仲雄花，即得分前9位的為品質較好的雄花資源(表3)，綜合得分越高表明該杜仲雄花綜合品質越高。由表3可知，193份材料中，編號為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花綜合得分較高，品質相對較好。

2.4 杜仲雄花R型及Q型聚類分析

對杜仲雄花各性狀進行R型聚類分析，聚為一類的雄花性狀之間具有密切的相關或偏相關性，可選用1個性狀代表同一類中的其它性狀；單為一類的性狀則具有相對獨立性。結果顯示所有性狀在遺傳距離6.0處可劃分為8類(圖1)，第1類包括雄蕊長度和千蕊重2個與雄蕊有關的性狀；第2類包括鮮重、單株產量、花徑、花高、干重、雄蕊數(shù)等6個與雄花形態(tài)及產量有關的性狀；第3類包括桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和京尼平苷等3個環(huán)烯醚萜類化合物組分；第4類包括綠原酸一個性狀；第5類包括異槲皮苷和紫云英苷2個黃酮類化合物組分；第6類包括總黃酮一個性狀；第7類包括氨基酸一個性狀；第8類包括含水率一個性狀。這與主成分分析結果(表2)相一致。因此，17個性狀可由8個類別中的性狀代表，即雄蕊長度、單株產量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率8個性狀。

表28個主成分的特征向量、特征值、方差貢獻率及累積貢獻率

Table2Eigenvectors,eigenvalues,variancecontributionratesandcumulativecontributionratesofeightprincipalcomponents

表3 杜仲雄花主成分得分和綜合得分

圖1 杜仲雄花性狀的R型聚類Fig.1 R-type cluster analysis of E.ulmoides male flower traits

對193份杜仲種質進行Q型聚類分析，在遺傳距離7.0處可劃分為4個類群(圖2)，各類群杜仲雄花主要性狀特征見表4，4個類群除含水率外，其它性狀均存在顯著差異。其中，第Ⅰ類群包括90份材料，該類群杜仲種質雄花除氨基酸和總黃酮含量較高外，其它性狀值均較低，總體表現(xiàn)一般；第Ⅱ類群包括53份材料，該類群杜仲種質雄花主要形態(tài)性狀值均較低，桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸和氨基酸含量在4各類群中位居第二位，其它活性成分含量在4個類群中均最高；第Ⅲ類群包括4份材料，編號分別為11034x、10036x、11042x和10469x，該類群杜仲種質雄花主要形態(tài)性狀值均較高，除含水率和千蕊重外，其它形態(tài)性狀均顯著高于另外3個類群，尤其是單株產量，達到了873.42g，活性成分含量以桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和綠原酸含量最高；第Ⅳ類群包括46份材料，該類群杜仲種質雄花主要形態(tài)性狀均處于第二位，活性成分含量總體較低。聚類結果與杜仲雄花品質綜合評價結果(表3)基本一致。

表4 不同類群杜仲雄花主要性狀特征

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in the same row mean significant difference(P<0.05).

圖2 杜仲種質的Q型聚類Fig.2 Q-type cluster analysis of E.ulmoides germplasms

3 討論

我國杜仲資源豐富，雄株占40%～60%[16]，如果僅憑少數(shù)幾個性狀的表現(xiàn)對種質資源進行評價、選擇，勢必存在一定的片面性，為了更好地對杜仲雄花品質做出全面、客觀的評價，雄花性狀的選取至關重要。張波等[17]對不同產區(qū)寧夏枸杞果實的主成分分析與綜合評價中，選取了具有代表性的外觀品質(百粒質量、果形指數(shù))和內在品質(多糖、甜菜堿、胡蘿卜素)。本研究選取的17個性狀基本涵蓋了產量性狀、形態(tài)性狀、水分含量狀況、營養(yǎng)品質及藥用品質5個方面，都是與杜仲雄花相關的重要性狀，對這些性狀進行評價分析對杜仲育種及杜仲雄花資源開發(fā)利用有一定的指導價值。

表型性狀受基因和環(huán)境控制，本研究在同一生態(tài)環(huán)境下，對193份杜仲種質雄花主要性狀進行研究，結果表明，193份杜仲種質雄花17個主要性狀存在明顯差異，除含水率和氨基酸含量變異系數(shù)較小外，其它性狀變異系數(shù)都較大，豐富的變異為良種選育提供了可能。

品質性狀是包含多因素的綜合概念，其評價的前提是評價指標的選取，目前國內外還沒有開展有關杜仲種質資源雄花品質綜合評價的研究。本研究采用主成分分析和聚類分析相結合的方法，對193份杜仲種質雄花17個主要性狀進行了較客觀、全面的評價分析，為簡化杜仲雄花品質評價指標進而對品質進行綜合評價奠定了基礎。在主成分分析和聚類分析分析之前，需要對性狀進行標準化處理，消除量綱差異[18～19]。

宋江峰等[20]采用主成分分析與聚類分析相結合的方法對菜用大豆品質進行綜合評價，篩選出8個指標代替原有的18項指標，并對不同品種進行評價。本研究中，經主成分分析提取了8個主成分，其累積貢獻率達到了85.777%，基本反映了杜仲雄花17個主要性狀的大部分信息。對杜仲雄花各性狀進行R型聚類分析，結合主成分分析中各主成分特征向量較大的性狀，確定了雄蕊長度、單株產量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率8個因子基本可以代替原來的17個性狀，作為杜仲雄花品質綜合評價指標。根據綜合得分對193份杜仲種質雄花品質進行排序，編號為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花綜合得分較高，品質相對較好?？勺鳛槎胖儆N的優(yōu)勢親本材料，另一方面，在杜仲雄花茶加工時，雄花形態(tài)、產量及活性成分含量對雄花茶品質有重要影響，這些材料可作為雄花茶加工的首選材料，生產中適當擴大栽植面積。進一步對193份杜仲種質進行Q型聚類，結果顯示第Ⅰ類群總體表現(xiàn)較差，僅總黃酮和氨基酸含量較高，在以這兩種成分為利用目的時可考慮此類群種質；第Ⅱ類群杜仲雄花8種活性成分含量均較高，可作為選育高活性成分含量的品種；第Ⅲ類群杜仲雄花總體表現(xiàn)最好，其形態(tài)性狀、單株產量、桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和綠原酸含量均為各類群中最高，這與經主成分分析綜合評價結果基本一致，在今后育種及開發(fā)利用時應著重考慮；第Ⅳ類群杜仲雄花形態(tài)性狀及單株產量表現(xiàn)也較好，可作為選育高產類型品種。

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National “Twelve Five” Scienticific and Technological Project.

introduction：DU Qing-Xin(1991—),male,Master,Non-timber Forest Research and Development Center of Chinese Academy of Forestry.

date:2016-07-26

ComprehensiveEvaluationofEucommiaulmoidesMaleFlowersQualitybyPrincipalComponentandClusterAnalysis

DU Qing-Xin LIU Pan-Feng WEI Yan-Xiu QING Jun DU Hong-Yan*

(Non-timber Forest Research and Development Center of Chinese Academy of Forestry,The Eucommia Engineering Research Center of National Forestry Administration,Zhengzhou 450003)

To efficiently utilize theEucommiaulmoidesmale flower resources, the morphological traits and active compounds of 193E.ulmoidesgermplasms were testd. The screening of evaluation indices and comprehensive evaluation ofE.ulmoidesgermplasms were carried out by using principal component analysis and cluster analysis. The coefficients of variation of water content and amino acids content were smaller than those of other 15 traits among different germplasms. By principal component analysis, 17 traits reflecting the quality ofE.ulmoidesmale flowers could be represented by 8 principal components(cumulative contribution rates of 85.777%). Eight traits including stamen length, yield of per plant, geniposidic acid, chlorogenic acid, isoquercitrin, total flavonoids, amino acids content and water content were selected to comprehensively evaluate the quality ofE.ulmoidesmale flowers. On the basis of composite score ranking,E.ulmoidesnumbered 10469x, 11042x, 11034x, 10036x, 10464x, 10559x, 10024x, 10060x and 10497x had better quality. The 193E.ulmoidesgermplasms were divided into 4 groups at 7.0 by Q-type cluster analysis, the overall traits ofE.ulmoidesmale flowers in the third group was better than other 3 groups, which was consistent with the results of comprehensive evaluation. Eight active compounds were comparatively high in the second group and the morphological traits were also good in the fourth group. The results could provide a reference forE.ulmoidesbreeding program and the utilization of male flower resources.

Eucommiaulmoides;male flowers;quality;principal component analysis;cluster analysis

國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAD21B0502)

杜慶鑫(1991—)，男，碩士研究生，主要從事杜仲育種與栽培。

* 通信作者：E-mail：dhy515@126.com

2016-07-26

* Corresponding author：E-mail：dhy515@126.com

S727.3

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.06.007