郝建宇，郭利磊，王 敏，曹 勇，馬小飛，張定一，姬虎太

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西臨汾040000；2.全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心，北京100125）

小麥（Triticum aestivumL.）是被廣泛種植的禾本科植物，世界上約40%的人口以小麥為主食[1]。我國(guó)作為最大的小麥生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2019年小麥播種面積和產(chǎn)量分別占我國(guó)糧食總播種面積的20%和糧食總產(chǎn)量的20%[2]，對(duì)于保障國(guó)家糧食安全意義重大。其中，秋播、耐寒的冬小麥能夠利用冬季和早春的自然資源[3]，在相對(duì)較長(zhǎng)的生育期里積累較多的有機(jī)物且品質(zhì)佳[4]，主要種植在我國(guó)黃淮平原北部[5-6]。近年來，我國(guó)小麥連年豐收，新品種在增產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用，小麥良種對(duì)于增產(chǎn)的科技貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到45%以上[7]。小麥區(qū)域試驗(yàn)是品種審定推廣的前提條件，通過科學(xué)、公正、客觀地評(píng)價(jià)新育成小麥品種（系）的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗性及品質(zhì)[8]，可為新品種審定奠定基礎(chǔ)[9]。我國(guó)小麥區(qū)域試驗(yàn)有相關(guān)技術(shù)規(guī)程指導(dǎo)[10]，新品種審定也有據(jù)可依[11-12]，國(guó)審小麥新品種品質(zhì)主要選擇了容重、籽粒蛋白、濕面筋、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力7個(gè)指標(biāo)[11]。

但是目前小麥品質(zhì)測(cè)試儀器比較多，測(cè)試指標(biāo)及定等指標(biāo)眾多，重復(fù)性較高，尋找一種簡(jiǎn)捷的品質(zhì)測(cè)定方法尤為重要[13]。主成分分析是多元統(tǒng)計(jì)分析中的重要方法，可在不丟掉主要信息的前提下，避開變量間共線性問題，從多個(gè)實(shí)測(cè)變量提取較少、互不相關(guān)的綜合指標(biāo)，從而反映總體信息[14]。多個(gè)變量在主成分降維處理后，其結(jié)果可以進(jìn)一步進(jìn)行聚類分析[15-16]。主成分分析法應(yīng)用于小麥品質(zhì)評(píng)價(jià)的研究相對(duì)比較少。孫彩玲等[15]研究297份山東省區(qū)試小麥品種（系）得出，面筋指數(shù)、沉淀值、形成時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間是影響小麥品質(zhì)的主要因素；孫憲印等[17]探究了15份黃淮北片冬小麥品種（系）的情況，把9個(gè)主要品質(zhì)指標(biāo)壓縮成營(yíng)養(yǎng)因子、加工因子、容重因子、吸水率因子，對(duì)小麥品質(zhì)貢獻(xiàn)由大至小的4個(gè)因子依次為加工因子>營(yíng)養(yǎng)因子>容重因子>吸水率因子；高歡歡等[18]研究結(jié)果表明，30份新疆春小麥的23個(gè)品種性狀指標(biāo)歸于8個(gè)主成分，分別是淀粉糊化特性、粉質(zhì)參數(shù)、蛋白質(zhì)含量、降落數(shù)值、直鏈淀粉含量、面筋指數(shù)、峰值時(shí)間和沉淀值。

本研究以172份黃淮冬麥區(qū)北片水地組區(qū)試冬小麥品種（系）為材料，利用主成分分析和聚類分析方法分析容重、籽粒蛋白、濕面筋、吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力等7個(gè)品質(zhì)指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)區(qū)試品種（系）的品質(zhì)狀況，旨在為評(píng)價(jià)小麥品質(zhì)提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2009—2018年，參加國(guó)家黃淮北片冬小麥區(qū)域測(cè)試的品種（系）共172個(gè)，由全國(guó)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣服務(wù)中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)選取土壤肥力均勻且具有代表性的地塊種植。試驗(yàn)材料采用完全隨機(jī)區(qū)組排列，3次重復(fù)，小區(qū)面積13.34 m2，不少于6行區(qū)，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)不少于2個(gè)小區(qū)的保護(hù)行。播種量為基本苗300萬株/hm2左右。當(dāng)年10月1日至10月15日播種，大田管理按照當(dāng)?shù)匦←湽芾砑夹g(shù)進(jìn)行，次年全區(qū)收獲。全區(qū)機(jī)械收獲晾曬后儲(chǔ)藏作為品質(zhì)測(cè)試材料。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

容重[19]、籽粒蛋白[20]、濕面筋[21]分別按照GB/T 5498—2013、NY/T 1094.2—1982和GB/T 5506.2—2008標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定；吸水率和穩(wěn)定時(shí)間采用電子型粉質(zhì)儀按照GB/T 14614—2006方法測(cè)定[22]；拉伸面積和最大阻力用電子型拉伸儀按照GB/T 14615—2006方法測(cè)定[23]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Office 2010進(jìn)行整理，采用SPSS 24.0進(jìn)行主成分分析。主成分分析首先將值不同、符號(hào)不同的原始變量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化值轉(zhuǎn)化，消除量綱使其具有可比性；隨后采用降維思想將多個(gè)有聯(lián)系的品質(zhì)性狀轉(zhuǎn)換為幾個(gè)特定的具有代表性、總結(jié)性的指標(biāo)。在進(jìn)行主成分分析數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之前，用絕對(duì)值的方法要將值處理為正數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃淮冬麥區(qū)北片水地組小麥品質(zhì)的相關(guān)性分析

指標(biāo)間存在相關(guān)性是進(jìn)行主成分分析的必要前提[24]，因此，在進(jìn)行主成分分析前，先對(duì)小麥各品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。由表1可知，容重和濕面筋含量分別與吸水率、穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力呈極顯著相關(guān)性（P＜0.01），穩(wěn)定時(shí)間與拉伸面積和最大阻力呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），濕面筋含量與籽粒蛋白質(zhì)呈極顯著相關(guān)（P＜0.01），籽粒蛋白和吸水率呈顯著相關(guān)（P＜0.05）。原因可能是由于吸水率不僅與小麥品種和其種植過程的有機(jī)物積累有關(guān)，還主要由籽粒質(zhì)量和小麥磨粉過程決定[25]，穩(wěn)定時(shí)間和拉伸面積反映面粉面筋的強(qiáng)度和韌性，主要由面筋蛋白質(zhì)量決定。

表1 小麥品種（系）品質(zhì)指標(biāo)相關(guān)性分析

2.2 黃淮冬麥區(qū)北片水地組小麥品質(zhì)的主成分分析通常取特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)80%，或特征值大

于1，或特征值統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顯著水平P＜0.05時(shí)的主成分?jǐn)?shù)來解釋結(jié)果[14]。主成分分析作為綜合評(píng)價(jià)工具，只有第1主成分才是評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)，其他主成分一般不具有綜合評(píng)價(jià)功能。但如果第1主成分貢獻(xiàn)率較低時(shí)，為增加信息量就采用按方差作為權(quán)重進(jìn)行幾個(gè)主成分相加，從而保留原始數(shù)據(jù)中大部分乃至所有信息[14]。

由表2可知，第1主成分的貢獻(xiàn)率為44.186%，第2主成分的貢獻(xiàn)率為26.074%，前2項(xiàng)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.261%；第3主成分貢獻(xiàn)率為15.385%，前3項(xiàng)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85.646%。表明前3項(xiàng)主成分足以代表小麥的品質(zhì)信息。

表2 小麥品質(zhì)指標(biāo)的特征值及貢獻(xiàn)率

由表3可知，第1主成分主要包含穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力，反映面團(tuán)流變學(xué)特性；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉濕面筋含量，反映小麥蛋白質(zhì)特性；第3成分主要包含容重和吸水率，與面粉出粉率相關(guān)指標(biāo)。其中，第1主成分中的穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力權(quán)重系數(shù)均達(dá)到0.9以上，結(jié)合表2可知，第1主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到了44%以上。因此認(rèn)為，這3個(gè)因素是影響小麥品質(zhì)的主要因素。

表3 成分矩陣

構(gòu)建各主成分與小麥品質(zhì)各指標(biāo)之間的線性關(guān)系得出，第1主成分Y1＝0.137X1－0.089X2－0.172X3－0.024X4＋0.291X5＋0.293X6＋0.301 0X7，第2主 成 分Y2＝0.124X1＋0.465X2＋0.430X3＋0.294X4＋0.115X5＋0.159X6＋0.080X7，第3主成分Y3＝0.615X1－0.304X2－0.153X3＋0.613X4－0.155X5－0.139X6－0.121X7。

由表4可知，排名靠前的山農(nóng)116、淄麥28、濟(jì)麥44通過了山東省強(qiáng)筋小麥品種審定，排名第3的新麥28（原名新麥0208）通過了2014年河南省強(qiáng)筋小麥品種審定；排名第10的泰科麥33通過了2018年國(guó)家中強(qiáng)筋小麥品種審定；排名前25名通過國(guó)家中筋小麥審定的品種有3個(gè)，分別是山農(nóng)2149、中麥155、堯麥16，通過河南省審的品種有1個(gè)，即河農(nóng)5290。本研究結(jié)果樣品品質(zhì)綜合得分和實(shí)際表現(xiàn)基本吻合，且可較系統(tǒng)直觀地判斷品種（系）性狀的優(yōu)劣，故而此方法可應(yīng)用于小麥品種（系）品質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)育種工作和品種（系）評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

表4 主成分分析綜合得分排名

續(xù)表4

3 結(jié)論與討論

小麥品種品質(zhì)指標(biāo)眾多，相互影響，關(guān)系復(fù)雜。以主成分分析法剖析小麥的眾多品質(zhì)指標(biāo)可以在不丟掉小麥品種及其面粉主要信息的前提下，避開各指標(biāo)間共線性問題，從多個(gè)實(shí)測(cè)指標(biāo)中提取出較少且互不相關(guān)的綜合指標(biāo)，從而反映小麥品種籽粒和面粉的綜合信息。加工品質(zhì)性狀是對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)的重要標(biāo)準(zhǔn)，目前小麥的新品種審定注重品質(zhì)指標(biāo)，不斷優(yōu)化區(qū)試審定評(píng)價(jià)指標(biāo)。通過對(duì)2009—2018年10 a間172份參加國(guó)家小麥品種審定的品種（系）的7個(gè)品質(zhì)審定指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果顯示，第1主成分主要包含穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力，反映面團(tuán)流變學(xué)特性，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為44.186%；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉濕面筋含量，反映小麥蛋白質(zhì)特性，前2項(xiàng)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為70.261%；第3主成分主要包含容重和吸水率，前3項(xiàng)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.646%，前3項(xiàng)主成分足以代表原指標(biāo)信息，其中，穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力權(quán)重系數(shù)達(dá)到0.9以上，得出穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力是影響小麥品質(zhì)的主要因素，該結(jié)果可為提高品質(zhì)育種選擇效率以及為黃淮北片水地冬小麥品質(zhì)育種和改良提供參考，主成分分析可以用于小麥品種（系）品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)。本研究中，穩(wěn)定時(shí)間是影響小麥品質(zhì)的主要因素之一，與孫彩玲等[15]的研究結(jié)果一致；面團(tuán)流變學(xué)特性因子對(duì)小麥品質(zhì)的貢獻(xiàn)率最高，與孫憲印等[17]的研究結(jié)果一致，但與與高歡歡等[18]的研究結(jié)果略有出入，可能是由所選指標(biāo)數(shù)量和種類不同造成的。

本研究通過籽粒蛋白、濕面筋含量的快速檢測(cè)在小麥早期育種發(fā)揮重要作用，在優(yōu)質(zhì)小麥高代育種加強(qiáng)對(duì)粉質(zhì)穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大阻力的選擇，有利于優(yōu)質(zhì)小麥的選擇效率和綜合評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。其中，粉質(zhì)穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力的測(cè)定在優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋育種中意義重大，是一些小麥專用粉如面包粉的評(píng)價(jià)指標(biāo)。強(qiáng)筋小麥品種審定品質(zhì)指標(biāo)要求，在其他指標(biāo)達(dá)標(biāo)的情況下，穩(wěn)定時(shí)間不小于7 min，最大拉伸阻力不低于350 EU，拉伸面積不低于80 cm2。

建議首先通過快速檢測(cè)指標(biāo)（籽粒蛋白、濕面筋含量）對(duì)大量品種進(jìn)行粗篩分類，然后通過重要指標(biāo)（穩(wěn)定時(shí)間、拉伸面積和最大拉伸阻力）對(duì)苗頭品系進(jìn)行驗(yàn)證，從而篩選出優(yōu)質(zhì)強(qiáng)筋品系；其次對(duì)中筋小麥分類標(biāo)準(zhǔn)細(xì)化，非達(dá)標(biāo)品種不再劃歸中筋類型。所以目前，優(yōu)質(zhì)小麥品種的培育還有很大潛力，優(yōu)質(zhì)專用粉的開發(fā)還有很大空間，決定了品質(zhì)指標(biāo)對(duì)小麥早期育種的重要性。