顧 繪，陳美麗，魏唐祺

(南通科技職業(yè)學(xué)院，南通226007)

顧繪，陳美麗，魏唐祺.基于主成分分析和聚類分析的南通地區(qū)芋種質(zhì)資源品質(zhì)性狀研究[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2020，36(4)：31-36

芋[Colocasia escultenta(L.)Schott]為天南星科芋屬多年生草本植物，主要食用器官為地下球莖，具有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，每100 g 芋中含淀粉69.6—73.7 g[1-2]、蛋白質(zhì)1.75—2.30 g、脂類0.47—0.68 g、鈣59—169 mg、磷113—274 mg、鐵4.2—5.0 mg[3]。 芋作為重要的糧菜兼用作物和出口創(chuàng)匯蔬菜，種植面積逐年擴(kuò)大。 芋品質(zhì)形成是基因型、環(huán)境因素及栽培措施共同作用的結(jié)果，指標(biāo)較多，且各指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性和相對(duì)獨(dú)立性。 目前，對(duì)芋品質(zhì)性狀的研究主要集中在品種、環(huán)境因子或栽培措施差異引起的變化等方面，關(guān)于對(duì)芋品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析和聚類分析的研究相對(duì)較少。

主成分分析法是指在不損失或很少損失原有信息的前提下，利用降維思想，將眾多指標(biāo)因子轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的綜合因素，從而解析出主要影響因素[4]。 主成分分析法適用于對(duì)多指標(biāo)的綜合分析，是一種有效的簡(jiǎn)化多指標(biāo)分析的方法。 關(guān)于對(duì)品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析和聚類分析的研究，前人在大豆[5-7]、扁豆[8]、棉花[9-10]、水稻[11]、梨[12]、蜜橘[13]、桃[14]、板栗[15]等作物方面已有報(bào)道。 如奚廣生等[6]利用主成分分析將14 個(gè)大豆品種的農(nóng)藝及品質(zhì)性狀指標(biāo)歸納為5 個(gè)主成分因子，并利用聚類分析將18個(gè)品種劃分為5 個(gè)類型；宋江峰等[7]采用主成分分析和聚類分析法對(duì)菜用大豆品質(zhì)評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究，提高了菜用大豆品種品質(zhì)性狀選擇的效率，優(yōu)化了菜用大豆品質(zhì)評(píng)價(jià)體系；姜永平等[8]采用主成分分析和聚類分析法對(duì)扁豆的10 個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，研究了影響扁豆產(chǎn)量的主要因子及品種間的遺傳距離。 本研究以南通地區(qū)24 份芋種質(zhì)資源為材料，對(duì)其9 個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析和聚類分析，以了解南通地區(qū)芋種質(zhì)資源的品質(zhì)特點(diǎn)及主要性狀差異，為南通地區(qū)芋種質(zhì)資源利用與育種中親本性狀的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

從南通各縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)收集24 份芋種質(zhì)資源材料，并將材料按鄉(xiāng)鎮(zhèn)和收集順序進(jìn)行編號(hào)(表1)。 試驗(yàn)地位于南通如皋市恒宇蔬菜種植園，早春起壟，壟寬100 cm，高20 cm，壟面寬60 cm。 選擇20—30 g 規(guī)格基本一致的健壯無病的子芋作為種芋，播種前用25%嘧菌酯懸浮液+50%多菌靈可濕性粉劑600 倍液浸泡10 min 左右，撈出晾干。 2016 年3 月25 日播種，株距40 cm，化學(xué)除草，覆蓋黑色地膜，出苗后選晴天早晨或傍晚破膜放苗。 每小區(qū)156 株，小區(qū)面積約為26 m2。 采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3 次重復(fù)，其他栽培管理措施按芋高產(chǎn)栽培技術(shù)方案進(jìn)行。

表1 參試芋種質(zhì)資源Table 1 The tested germplasm resources of taro

1.2 方法

所有芋種質(zhì)資源于9 月下旬挖取地下球莖，各材料均隨機(jī)取子芋及孫芋各10 個(gè)，清洗干凈后去皮，切成0.5 mm 厚的薄片混合均勻，作測(cè)試用。 品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定項(xiàng)目包括：含水量、淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量、粗纖維含量、直鏈淀粉含量和支鏈淀粉含量。 含水量采用直接干燥法測(cè)定[16]，淀粉和可溶性糖含量采用蒽酮法測(cè)定[17]，粗脂肪含量采用索氏提取法測(cè)定[18]，粗蛋白含量采用凱氏定氮法測(cè)定[19]，纖維素含量采用酸洗法測(cè)定[20]，支鏈淀粉和直鏈淀粉含量采用雙波長(zhǎng)法測(cè)定[21]，灰分含量采用直接灰分法測(cè)定[22]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

不同芋種質(zhì)資源的主要品質(zhì)性狀間采用Duncan’s 新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。 應(yīng)用DPS 7.05數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)芋品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，采用歐式距離作為度量標(biāo)準(zhǔn)，用離差平方和法對(duì)樣本進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 南通地區(qū)芋種質(zhì)資源品質(zhì)指標(biāo)的一般性描述

2.1.1 品質(zhì)指標(biāo)間差異

由表2 可知，不同地區(qū)芋種質(zhì)資源的品質(zhì)存在一定差異，其中變異系數(shù)最大的指標(biāo)為直鏈淀粉含量，變化幅度為4.37%—23.41%，變異系數(shù)為47.92%，屬中等變異；其余品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)大小依次為：可溶性糖含量＞粗纖維含量＞灰分含量＞粗脂肪含量＞支鏈淀粉含量＞粗蛋白含量＞淀粉含量＞含水量，其中含水量變異系數(shù)、淀粉含量變異系數(shù)、粗蛋白含量變異系數(shù)分別為6.19%、9.47%、9.57%，均小于10%，為弱變異；其他指標(biāo)變異系數(shù)在10%—40%，為低等變異。

表2 不同地區(qū)芋種質(zhì)資源品質(zhì)指標(biāo)差異Table 2 Differences in quality indexes of taro germplasm resources in different regions %

2.1.2 指標(biāo)間相關(guān)性檢驗(yàn)

各指標(biāo)間存在相關(guān)性是進(jìn)行主成分分析的前提，對(duì)不同芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn)表明：各指標(biāo)間均存在顯著或極顯著的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值最高的是含水量和可溶性糖含量，其相關(guān)系數(shù)為-0.996，呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，可溶性糖易溶于水，含水量高則可溶性糖含量低(表3)。

表3 南通芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of main quality of taro germplasm resources in Nantong

2.2 南通地區(qū)芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)性狀主成分分析

對(duì)24 個(gè)芋種質(zhì)資源的9 個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，9 個(gè)特征根及其相應(yīng)的貢獻(xiàn)率如表4 所示。 作為判斷主成分個(gè)數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率過高，則簡(jiǎn)化效果弱，過低則會(huì)丟失過多信息量。 參考前人[23-24]的研究，以主成分方差貢獻(xiàn)率≥85% 作為提取主成分標(biāo)準(zhǔn)。 前3 項(xiàng)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為91.045%，表明前3 項(xiàng)主成分可以表達(dá)原始數(shù)據(jù)提供品質(zhì)性狀信息的90%以上，用前3 項(xiàng)主成分信息足以代替原數(shù)據(jù)信息，可將這3 個(gè)成分作為評(píng)價(jià)芋品質(zhì)性狀的主成分。

表4 芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of main quality traits of taro germplasm resources

由表5 可知，在第一主成分的特征向量中，可溶性糖含量的主成分載荷最高且符號(hào)為正，主成分載荷為0.415，含水量為符號(hào)為負(fù)的主成分載荷最高，為-0.419，說明第一主成分是以可溶性糖含量和含水量的影響為主，灰分含量和粗脂肪含量的影響為輔；在第二主成分中，直鏈淀粉含量主成分載荷最高，為0.603，其次是粗蛋白含量，支鏈淀粉含量為符號(hào)為負(fù)的主成分載荷最高，為-0.542，說明第二主成分是對(duì)直鏈淀粉含量、粗蛋白含量和支鏈淀粉含量的綜合描述；在第三主成分中，淀粉含量的主成分載荷最高，為0.652，說明第三主成分是以淀粉含量的影響為主，粗脂肪含量的影響為輔。

表5 芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)性狀的3 個(gè)主成分特征向量分析Table 5 Three principal component eigenvector analysis of main quality traits of taro germplasm resources

2.3 南通芋種質(zhì)資源主要品質(zhì)的聚類分析

24 個(gè)芋種質(zhì)資源的每個(gè)主成分分值組成主成分向量(表6)，任意2 個(gè)材料主成分向量間的幾何距離為材料間的遺傳距離D2。 根據(jù)主成分向量計(jì)算得到24 個(gè)材料間的遺傳距離共276 個(gè)，平均遺傳距離為3.986，其中如皋下原村香堂芋與如皋天河橋村白堂芋的遺傳距離最大，為10.577；海門孝漢村香沙芋與海門長(zhǎng)圩村香沙芋的遺傳距離最小，為0.371。 在276 個(gè)遺傳距離中，小于2 的占18.84%，大于7 的占4.71%，可以看出本試驗(yàn)收集的芋種質(zhì)資源來源相對(duì)單一，因此需要加大對(duì)外來種質(zhì)資源的引進(jìn)，豐富本地芋種質(zhì)資源。

表6 24 個(gè)芋種質(zhì)資源的3 個(gè)主成分特征向量Table 6 Three principal component eigenvectors of 24 taro germplasm resources

根據(jù)276 個(gè)遺傳距離D2值，將24 個(gè)芋種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明：在歐式距離D2=8.96 處，24 份芋種質(zhì)資源可以分為3 類(圖1)。 第I 類是以如皋地區(qū)香沙芋為主的8 份種質(zhì)，該類群的淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纖維含量和支鏈淀粉含量高，含水量和粗蛋白含量低，直鏈淀粉含量適中；第II 類是以海門地區(qū)香沙芋為主的8 份種質(zhì)，該類群的粗蛋白含量和直鏈淀粉含量高，淀粉含量、含水量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量和粗纖維含量適中，支鏈淀粉含量低；第III 類是包括如東、通州等地的8 份香沙芋種質(zhì)，該類群的含水量高，淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纖維含量和直鏈淀粉含量低，粗蛋白含量和支鏈淀粉含量適中(表7)。

表7 南通芋種質(zhì)資源各類群的特征Table 7 Characteristics of different groups of taro germplasm resources in Nantong %

3 討論與結(jié)論

在本試驗(yàn)中，由9 個(gè)品質(zhì)指標(biāo)反映的芋品質(zhì)可用3 個(gè)主成分來表示，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)91.045%，且各性狀的貢獻(xiàn)率集中。 本試驗(yàn)中第一主成分的方差貢獻(xiàn)率為60.101%，主要為可溶性糖含量和含水量的綜合描述，可溶性糖含量與含水量成極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人研究結(jié)果一致[25]。 可溶性糖是淀粉合成的重要原料，因此，可稱第一主成分為淀粉合成因子。 第二主成分的方差貢獻(xiàn)率為23.300%，主要為粗蛋白含量、支鏈淀粉含量和直鏈淀粉含量的綜合描述。 支鏈淀粉含量和直鏈淀粉含量的載荷符號(hào)相反，兩者是淀粉的兩大組成部分，其比例是衡量淀粉質(zhì)量的最常用指標(biāo)，可反映芋口感的軟糯程度，同時(shí)有研究推測(cè)淀粉和蛋白質(zhì)含量的高低可能與芋的食味品質(zhì)好壞有關(guān)[26]，因此，第二主成分可表示為食味因子。第三主成分的方差貢獻(xiàn)率為7.644%，主要為淀粉含量的描述。 淀粉是大多數(shù)植物種子與塊莖的主要組成部分，也是最主要的光合產(chǎn)量積累形式，是芋最重要的品質(zhì)性狀。 從以上分析可以得出，3 個(gè)主成分主要集中在淀粉的合成、質(zhì)量及含量3 個(gè)方面。 因此，在優(yōu)質(zhì)品種選育時(shí)可加大對(duì)可溶性糖含量這一性狀的選擇力度，同時(shí)考慮直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，粗蛋白含量可以適當(dāng)提高，高淀粉含量的芋種質(zhì)資源品質(zhì)較優(yōu)。 本研究在主成分分析基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)聚類法將來自南通各地區(qū)的24 份芋種質(zhì)資源分為三大類，第I 類主要分布于如皋地區(qū)；第II 類主要分布于海門地區(qū)；第III 類主要分布于通州、如東等地。 可見，具有相同地域來源的芋種質(zhì)材料其主要品質(zhì)指標(biāo)基本一致。 南通地區(qū)芋種質(zhì)是典型的無性繁殖，不同地域之間的品質(zhì)差異可能是因?yàn)橥寥?、氣候等差異長(zhǎng)期誘導(dǎo)產(chǎn)生。 品質(zhì)差異的存在便于挑選符合期望要求的優(yōu)良種質(zhì)，保留這些種質(zhì)材料對(duì)保持南通地區(qū)芋種質(zhì)資源的多樣性具有極其重要的意義。