黃蓋群 ,佟萬紅 ,桂仲爭 ,危 玲 ,曾益春 ,曾 貞 ,殷 浩 ,劉 剛,鄭繼川,姚永權 ,李永遠
(1.四川省農業(yè)科學院 蠶業(yè)研究所,四川 南充 637000;2.江蘇科技大學,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
不同果桑品種資源理化性狀的主成分分析
黃蓋群1,2,佟萬紅1,桂仲爭2,危 玲1,曾益春1,曾 貞1,殷 浩1,劉 剛1,鄭繼川1,姚永權1,李永遠1
(1.四川省農業(yè)科學院 蠶業(yè)研究所,四川 南充 637000;2.江蘇科技大學,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)
對28份果桑品種資源的水分、還原糖、總糖、總酸、pH值、維生素C、可溶性固形物共7個主要理化性狀進行主成分分析。結果表明:標準為理化性狀的累計方差貢獻率要大于85%,分析表明能體現(xiàn)果桑主要理化性狀的主成分有3個,分別是總酸、水分以及可溶性固形物,這3個主成分代表的果桑品種經濟性狀的綜合信息超過了96.943%。進一步構建了3個用于計算各樣本主成分分值的函數式,經過排列比較,獲得理化性狀較優(yōu)的前10個品種依次是劍閣18號、川桑83-6、天全16號、臺灣果桑72C002、臺灣果桑46C019、江椹7號、江椹20號、嘉陵30號、江椹8號、紅果2號。本研究可為果桑品種的育種親本選配及推廣應用提供一定的參考價值。
果桑;品種資源;理化性狀;主成分分析
果桑是作為采摘桑椹為主,同時兼顧采葉養(yǎng)蠶的桑樹品種。由于桑椹富含花青素、膳食纖維、維生素等成分,因此逐漸成為保健食品、藥品以及食品添加劑的原材料,而且新鮮桑果香甜可口,獲得了消費者的認可。這幾年,我國果桑新品種培育、種植、桑椹深加工這一產業(yè)鏈發(fā)展勢頭強勁,良好的經濟效益推動了果桑大面積種植。以四川省為例,果桑種植面積已經突破6 667 hm2,投產果桑園超過2 000 hm2,桑果產量達到4萬t,銷售收入實現(xiàn)2.8億元。截止2015年底,四川省果桑產量和產值在全國排名第一。隨著果桑產業(yè)的快速發(fā)展,如何培育出優(yōu)質、高產的果桑專用品種則成為了急需解決的課題。目前,德果2號、粵椹大10、嘉陵30號、紅果2號等果桑品種已經用于大規(guī)模種植,這些優(yōu)秀的品種為果桑產業(yè)的發(fā)展提供了充足的動力[1]。由于我國果桑產業(yè)分布范圍廣泛,而且利用桑椹為原材料來開發(fā)新產品逐漸成為熱點,這就需要多樣的果桑品種,以滿足不同地域的種植要求,適合各種產品的開發(fā)需要,因此果桑品種的多樣化是推動果桑產業(yè)發(fā)展的重要動力,同時也是需要解決的科研課題。在加快果桑品種多樣化培育過程中,對篩選出來的優(yōu)質高產品種的營養(yǎng)性狀進行準確客觀的檢測與評價,是提升品種培育效率的基礎性工作[2]。
主成分分析法[3]的特點是把數個性狀指標轉變?yōu)樯倭坎⑶蚁嗷ブg互不影響的綜合指標,已經普遍應用于農作物種質資源理化性狀的分析、作物育種過程中親本的選配、生物多態(tài)性分析等領域[4-7]。田智得等[8]將主成分、聚類分析同時應用于桑樹的結實性農藝性狀研究,在對多達175份桑樹樣本分析后發(fā)現(xiàn),桑果糖含量、結果節(jié)數、單株果實大小的累計貢獻率高達69.954%。喬宇[9]等研究發(fā)現(xiàn)影響桑果品質的重要主成分分別是總酸、可溶性固形物、花色苷以及還原糖,這4個因素主成分累計貢獻率高達87.73%,它們比較全面的代表了桑椹品種的綜合信息。本研究充分依據主成分分析法,對我省收集保存的28份果桑品種資源的總糖、總酸等7個主要理化性狀進行主成分分析,以總糖、總酸等多個主成分組成的綜合指數為依據,對優(yōu)秀果桑品種資源的應用價值進行評價,可為新品種的培育提供科學依據。
供試果桑品種28個,既包括本所果桑種質資源圃采摘 、存儲的品種,也有來自重慶、廣東、陜西、貴州、新疆等地區(qū)的其他果桑品種。資源圃的土壤為粘壤土,園區(qū)灌溉與排水系統(tǒng)完備,土壤肥力中等,園區(qū)的桑樹按照2 m×1.33 m的株行距種植,且單株生長狀態(tài)良好,沒有病蟲害情況,樹齡10年左右。
田間試驗于2015年4~5月在本所果桑種植基地進行。試驗采用完全隨機設計,每份供試果桑品種資源隨機挑選6株長勢大致相同的植株進行調查測試。根據《農作物種質資源鑒定技術規(guī)程:桑樹》中的調查方法,并結合果桑生產的實際,確定水分(X1)、還原糖 (X2)、總糖(X3)、總酸(X4)、pH值(X5)、維生素C(X6)、可溶性固形物(X7)共7項主要營養(yǎng)成分進行調查分析。
表1 供試材料名稱和來源Table 1 Name and sources of tested materials
依據樣本相關矩陣,應用DPS數據處理系統(tǒng)[10]對7個主要理化指標的測試結果進行主成分分析,確定主成分的數量時,要求性狀積累方差貢獻率>85%[11-13]。構建計算主成分分值的函數式依據各性狀相關矩陣的特征向量,再由主成分得分值計算出各個供試果桑樣本的綜合得分,最后根據28個樣本的綜合指標進行品種之間的比較分析并篩選出優(yōu)秀品種[14-16]。
試驗調查28個供試果桑品種的7項理化性狀成績(見表2),各品種間的性狀成績有較大差異,其中還原糖、總糖、總酸在最高和最低的品種間相差數2倍以上。
表2 果桑品種理化性狀Table 2 Physicochemical characteristics of fruit mulberry cultivars
在供試果桑品種資源營養(yǎng)成分的主成分分析中,將水分、還原糖等7個理化性狀分別轉換為Y1、Y2…Y77個主成分,性狀在主成分方向上的分散程度由方差體現(xiàn),各主成分在數據分析中占的權重與方差大小成正比[17]。
由樣本性狀相關矩陣的特征根推算性狀方差貢獻率和累計方差貢獻率(見表3),結果顯示Y1(總酸)、Y2(水分)、Y3(可溶性固形物)這3個成分的累計方差貢獻率為96.943%,超過了>85%的標準,表明它們體現(xiàn)了全部性狀96.943%的綜合信息,后5個主成分Y4(還原糖)、Y5(pH值)、Y6(總糖)、Y7(維生素C)在果桑品種營養(yǎng)成分分析中僅占全部性狀3.057%的綜合信息。因此,確定總酸(Total acid)、水分(Water)、可溶性固形物(Soluble solids)作為果桑品種營養(yǎng)成分的重要主成分。由于主成分是原性狀的線性組合函數,根據各向量相關矩陣的特征向量(見表4),分別列出總酸、水分和可溶性固形物的函數表達式如下:
表3 供試果桑品種理化性狀主成分的特征值和方差貢獻率Table 3 Eigen value and variance contribution rate of principal components to physicochemical characteristics of tested fruit mulberry cultivars
表4 供試果桑品種理化性狀相關矩陣的特征向量Table 4 The characteristic vectors of correlated matrix for physicochemical characteristics of tested fruit mulberry cultivars
在Y1中,影響果桑營養(yǎng)成分的主要因素分別是總酸(Total acid)和pH值,果桑的酸度也與總酸和pH值密切相關,第1主成分(Y1)的分值反映了果桑座果情況的綜合指標。在Y2中,水分(Water)值最大,表明第2主成分(Y2)是反映桑果含水分情況的指標。在Y3中,可溶性固形物(Soluble solids)值最大,表明第3主成分(Y3)反映的是桑果含糖量指標。根據表3中主成分方差貢獻率,Y1(總酸)、Y2(水分)、Y3(可溶性固形物)與它們原性狀相關矩陣的特征向量(見表4)分析表明,總酸(Total acid)是果桑品種資源營養(yǎng)成分間的主要差異,其次是水分(Water),三者中差異最小的是可溶性固形物(Soluble solids)。
通過上述研究表明,總酸、pH值和水分等3個主成分較好地綜合了果桑的營養(yǎng)成分特征,三者貢獻率為85.365%。由于理化性狀成分復雜,簡單的依靠主成分分析,很難對這些果桑品種的理化性狀做出綜合評價;正因如此,本研究依據各主成分的貢獻率,采取加權求和分析,建立綜合評價果桑經濟性狀的函數模型[18]:
式中:fac1~fac3為不同果桑品種的主成分分值。
以28個樣本資源的3個主成分分值為依據,進行果桑品種間綜合比較排序(見表5),得出綜合經濟性狀較優(yōu)的前10個品種依次為劍閣18號、川桑83-6、天全16號、臺灣果桑72C002、臺灣果桑46C019、江椹7號、江椹20號、嘉陵30號、江椹8號、紅果2號。這些高品質品種(系)中的臺灣果桑72C002、劍閣18號、嘉陵30號等已經用于大區(qū)域種植。
表5 供試果桑品種理化性狀的3個主成分分值Table 5 Principal component values of physicochemical characteristics of test fruit mulberry cultivars
果桑品種資源的篩選,難點在于影響果桑品質的理化指標多而復雜,同時品種資源庫數量大,但依據各性狀之間固有的關聯(lián)性,因此采用主成分分析法,用少量的主成分替換復雜的性狀評價指標,它們攜帶了不少于初始變量85%的信息,是既綜合又獨立的評價指標。這些指標可以為選定優(yōu)質果桑品種提供數據支撐,同時簡化評價研究過程。
本研究通過對28個果桑品種資源理化性狀的主成分分析得到3個重要主成分,即總酸、水分、可溶性固形物,這3個主成分代表了果桑經濟性狀96.943%以上的綜合信息,這些信息能體現(xiàn)被調查果桑群體的整體情況,為果桑新品種培育時親本的選擇提供參考,以便在推動我國果桑產業(yè)發(fā)展過程中提供更多優(yōu)秀的品種。依據28個供試樣本的理化性狀主成分分值,進行各品種間綜合得分比較排序,結果顯示綜合分值最大為4.953 0,最小分值僅為-2.071 4,表明這28個果桑品種之間的理化性狀差異顯著,本研究基于實驗數據對28個果桑品種的性狀評價與排名,為這些新品種用于大面積推廣種植、用作培育其他品種的親本提供科學依據,可進一步提高果桑資源評價與育種工作效率。
本項研究中的28個果桑樣本大多分布于四川省,其它?。ㄊ校?、地區(qū)的果桑樣本數量較少,因此,后續(xù)要進一步收集我國其他地區(qū)的果桑品種并進行研究分析,以便全面掌握我國果桑品種的資源現(xiàn)狀,充分發(fā)掘其潛在的經濟價值,并推動我國果桑產業(yè)的快速發(fā)展。此外,本項研究著重對供試品種的桑果重要理化性狀進行主成分分析,若要深入系統(tǒng)的掌握品種的性狀特征和利用價值,還需要對其它的性狀進行調查研究,如果桑的營養(yǎng)成分、香氣成分、功能成分以及親緣關系等進行綜合評價分析。
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Principal component analysis for physicochemical characteristics of different fruit mulberry cultivars
HUANG Gaiqun, TONG Wanhong, GUI Zhongzheng, WEI Ling, ZENG YIchun, ZENG Zhen, YIN Hao,LIU Gang, ZHENG Jichuan, YAO Yongquan, LI Yongyuan
(1.The Sericultural Research Institute, Sichuan Academy of Agricultural Sciences, Nanchong 637000, Sichuan, China;2.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)
Principal Components Analysis(PCA)was applied to analyze 7 physicochemical characteristics, namely fruit water, reducing sugar, total sugar, total acid, pH, VC, soluble solids of 28 fruit mulberry germplasm resources. By using the cumulative variance contribution rate of over 85% as criterion, total acid, water, and soluble solids were identi fi ed as the principal components to re flect physicochemical characteristics of fruit mulberry. All three principal components presented 96.943% comprehensive information of physicochemical characteristics of the fruit mulberry. Functional expression of the above three principal components was established and used to calculate principal component value of physicochemical characteristic of all fruit mulberry germplasm resources for test. The top 10 fruit mulberry varieties with good economic characteristics were Jiange 18, Chuansang 83-6, Tianquan 16, Taiwanguosang 72C002,Taiwanguosang 46C019, Jiangshen 7, Jiangshen 20, Jialing 30, Jiangshen 8 and Hongguo 2. The results could provide good references for parental selection in breeding,popularization and application of fruit mulberry varieties.
fruit mulberry; germplasm resources; physicochemical characteristics; principal component analysis
S789.5
A
1673-923X(2017)11-0019-05
10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.11.004
2016-09-08
四川省財政創(chuàng)新能力提升專項資金項目(2016ZYPZ-030);四川省杰出青年基金項目(2014JQ0026);“十三五”四川省農作物育種攻關(2016NYZ0041-01);四川省科技廳重點項目(2017NZ0025);四川省農業(yè)科技成果轉化資金項目(2016NZ0074);四川省農業(yè)科學院科技成果中試熟化示范工程項目(CGZH2017FP27);四川省農業(yè)科學院“青年科研骨干”訪問學者項目
黃蓋群,副研究員,博士研究生
劉 剛,研究員,博士;E-mail:liugang2004380@sina.com
黃蓋群,佟萬紅,桂仲爭,等.不同果桑品種資源理化性狀的主成分分析[J].中南林業(yè)科技大學學報,2017, 37(11): 19-23.
[本文編校:吳 毅]