基于主成分分析的稻米品質(zhì)評(píng)價(jià)及聚類分析

摘要：應(yīng)用主成分分析和聚類分析方法研究了23個(gè)秈型雜交稻品種11個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的變異情況，對(duì)其稻米品質(zhì)性狀進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)及分類。結(jié)果表明，11個(gè)稻米品質(zhì)指標(biāo)主要由4個(gè)主成分構(gòu)成，其中外觀品質(zhì)對(duì)稻米品質(zhì)的貢獻(xiàn)率最大，占40.23%；聚類分析根據(jù)稻米品質(zhì)表現(xiàn)將23個(gè)品種分為3類。

關(guān)鍵詞：秈型雜交稻；品質(zhì)性狀；主成分分析；聚類分析；綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S511.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）15-3488-04

食用稻米品質(zhì)一般是從碾磨品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)與營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)4個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，而稻米品質(zhì)通過(guò)糙米率、精米率、整精米率、堊白率、堊白度、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、直鏈淀粉含量、膠稠度、堿消值等指標(biāo)間接反映出來(lái)。GB 1350-1999對(duì)秈稻上述品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)劃分為5個(gè)等級(jí)，以3級(jí)稻為中等水平，低于5級(jí)的為等外稻谷，為強(qiáng)制執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)；GB/T 17891-1999將優(yōu)質(zhì)秈稻分為3個(gè)等級(jí)，任何一項(xiàng)指標(biāo)達(dá)不到3級(jí)要求時(shí)不能作為優(yōu)質(zhì)稻谷，作為推薦執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[1]。筆者以23個(gè)秈型雜交稻品種的11個(gè)品質(zhì)指標(biāo)作為研究對(duì)象，運(yùn)用主成分分析和聚類分析對(duì)23個(gè)品種進(jìn)一步分類，以期為完善和細(xì)化優(yōu)質(zhì)稻谷國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)提供一些依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

材料選用南方稻區(qū)近年來(lái)新選育的23個(gè)秈型雜交稻品種，分別是Y兩優(yōu)646（1）、廣兩優(yōu)矮93（2）、廣優(yōu)明118（3）、Y兩優(yōu)3399（4）、兩優(yōu)8106（5）、C兩優(yōu)70124（6）、科優(yōu)16（7）、天優(yōu)8012（8）、兩優(yōu)689（9）、Y58S/P102（10）、兩優(yōu)676（11）、齊豐1068（12）、金農(nóng)2優(yōu)3號(hào)（13）、兩優(yōu)616（14）、紅香2A/香恢68（15）、兩優(yōu)0367（16）、兩優(yōu)383（17）、欣榮優(yōu)華占（18）、鹽兩優(yōu)2208（19）、兩優(yōu)1198（20）、兩優(yōu)3905（21）、Ⅱ優(yōu)838（22）、豐兩優(yōu)4號(hào)（23）。試驗(yàn)于2010-2011年在湖南、江西、湖北、安徽、浙江、福建、江蘇和河南8個(gè)省15個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行。由安徽省種子管理站、湖北省京山縣農(nóng)業(yè)局和河南省信陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院3個(gè)單位分別單獨(dú)種植生產(chǎn)提供樣品，農(nóng)業(yè)部稻米及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（杭州）負(fù)責(zé)檢測(cè)，測(cè)定稻米品質(zhì)性狀合計(jì)11個(gè)指標(biāo)。

1.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

1.2.1 主成分分析 以23個(gè)秈型雜交稻的11個(gè)品質(zhì)變量（糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量）為指標(biāo)構(gòu)成主成分分析的相關(guān)矩陣，根據(jù)主成分分析的結(jié)果對(duì)雜交稻品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1.2.2 聚類分析 采用系統(tǒng)聚類分析，以上述11個(gè)品質(zhì)指標(biāo)對(duì)23個(gè)雜交稻品種進(jìn)行聚類。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式為標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，聚類距離為歐氏距離，聚類方法為離差平方和法（與其他聚類方法比較后，確定離差平方和法效果最好）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同秈型雜交稻品種稻米品質(zhì)性狀的變異情況

由表1可以看出，不同雜交稻品質(zhì)性狀具有較大的差異。其中，堊白度、堊白粒率、透明度、直鏈淀粉含量和堿消值5個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)較大，分別為70.16%、49.44%、45.27%、21.02%和18.04%，表明不同雜交稻品種間上述5個(gè)品質(zhì)指標(biāo)的差異較大。相比較而言，外觀品質(zhì)中的糙米率、精米率、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比及膠稠度的變異系數(shù)較小，均在10%以下，表明不同雜交稻品種間的這5個(gè)指標(biāo)相對(duì)穩(wěn)定，糙米率和精米率最穩(wěn)定，變異系數(shù)僅為0.81%和1.06%。

2.2 不同秈型雜交稻品種稻米品質(zhì)性狀的主成分分析

為進(jìn)一步明確各個(gè)品質(zhì)性狀的相對(duì)重要性，對(duì)稻米的11個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行了主成分分析，計(jì)算出特征值和貢獻(xiàn)率。通過(guò)主成分分析，以特征值累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%為標(biāo)準(zhǔn)，確定主成分為4個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.54%（表2）。其中，第一主成分的貢獻(xiàn)率為40.23%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為24.42%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為12.28%，第四主成分的貢獻(xiàn)率為8.61%。

4個(gè)主成分各因子的載荷矩陣見表3。由表3可知，第一主成分主要由堊白度、長(zhǎng)寬比、堊白粒率及透明度決定，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)，反映稻米的外觀品質(zhì)；第二主成分主要由糙米率、精米率、堿消值和直鏈淀粉含量決定，呈現(xiàn)出正相關(guān)，反映稻米的碾磨品質(zhì)和蒸煮食用品質(zhì)；第三主成分主要由膠稠度和整精米率決定，與膠稠度呈正相關(guān)，與整精米率呈負(fù)相關(guān)，反映稻米的蒸煮品質(zhì)和碾磨品質(zhì)；第四主成分主要由精米率和整精米率決定，呈現(xiàn)出正相關(guān)，反映稻米的碾磨品質(zhì)。

2.3 不同秈型雜交稻品種稻米品質(zhì)性狀的聚類分析

通過(guò)以上主成分分析的結(jié)果，根據(jù)品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析值，采用科學(xué)合理的分類方法，對(duì)上述23個(gè)秈型雜交稻品種進(jìn)行分類，以期達(dá)到客觀公正評(píng)價(jià)稻米品質(zhì)的目的。聚類分析主要是用來(lái)研究各種事物或現(xiàn)象的分類，而系統(tǒng)聚類是在各個(gè)領(lǐng)域中使用最多的一種方法。其基本思想是將各個(gè)樣本各自看成一類，然后定義樣品之間的距離及類與類之間的距離，利用逐步并類法，將距離最近兩類合并，直至所有的樣品都成為一類為止。

由圖1可知，通過(guò)聚類分析將上述23個(gè)秈型雜交稻品種分為3類。第Ⅰ類包括C兩優(yōu)70124、兩優(yōu)676、齊豐1068、鹽兩優(yōu)2208、兩優(yōu)3905、Y兩優(yōu)3399、豐兩優(yōu)4號(hào)、Y兩優(yōu)646、兩優(yōu)689、Y58S/P102、兩優(yōu)0367、廣兩優(yōu)矮93；第Ⅱ類包括兩優(yōu)1198、Ⅱ優(yōu)838、廣優(yōu)明118、天優(yōu)8012、科優(yōu)16、兩優(yōu)383；第Ⅲ類包括兩優(yōu)8106、金農(nóng)2優(yōu)3號(hào)、兩優(yōu)616、紅香2A/香恢68、欣榮優(yōu)華占。由表4可知，在所有稻米品質(zhì)指標(biāo)中，反映外觀品質(zhì)的參數(shù)（粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、堊白粒率、堊白度和透明度）及整精米率和堿消值以第Ⅰ類表現(xiàn)最好，而糙米率、精米率、膠稠度和直鏈淀粉含量等指標(biāo)均處于較好水平。這與主成分分析的結(jié)果相一致，即第一主成分（外觀品質(zhì)）在所有稻米品質(zhì)指標(biāo)中貢獻(xiàn)率是最重要的。

3 小結(jié)與討論

Karl Parson于1901年提出了主成分概念，用于對(duì)非隨機(jī)變量的分析；1933年Hotelling對(duì)其進(jìn)行了發(fā)展，推廣到隨機(jī)變量的分析[2]。主成分分析利用“降維”的思想，在損失很少信息的前提下找到幾個(gè)綜合因子來(lái)代表原來(lái)眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來(lái)變量的信息量，而且彼此之間互不相關(guān)，從而達(dá)到簡(jiǎn)化的目的。由于該方法既減少了變量的數(shù)目又抓住了主要矛盾的做法，有利于問題的分析和處理而被廣泛應(yīng)用。

通過(guò)對(duì)23個(gè)秈型雜交稻品種的稻米品質(zhì)分析表明，不同秈型雜交稻品種稻米品質(zhì)的糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等指標(biāo)的差異較大。運(yùn)用主成分分析進(jìn)一步將稻米11個(gè)品質(zhì)性狀轉(zhuǎn)化為4個(gè)獨(dú)立的主成分，其中第一主成分外觀品質(zhì)的影響最大，其貢獻(xiàn)率達(dá)到40.23%。再通過(guò)系統(tǒng)聚類分析，可將23個(gè)秈型雜交稻品種稻米品質(zhì)分為3類，各類別中，反映外觀品質(zhì)的參數(shù)（粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、堊白粒率、堊白度和透明度）及整精米率和堿消值以第Ⅰ類表現(xiàn)較好，表明稻米外觀品質(zhì)在稻米品質(zhì)評(píng)價(jià)中的重要作用。

稻米品質(zhì)的優(yōu)劣不僅受品種自身遺傳基因的控制，而且受外界環(huán)境條件如氣候、土壤、灌溉時(shí)期和灌溉量、施肥種類和施肥量、農(nóng)藝措施等影響。灌漿結(jié)實(shí)期間的氣候條件是影響稻米品質(zhì)的最主要生態(tài)因子，而緯度、海拔等地理環(huán)境的不同及播期調(diào)整引起的品質(zhì)變化均與該時(shí)期的氣候生態(tài)因子有關(guān)[3]。結(jié)實(shí)期氣候生態(tài)條件對(duì)整精米率、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值及直鏈淀粉含量影響較大[4]。張嵩午等[5]研究表明，秈稻類型品種的整精米率性狀形成適宜溫度為21～23 ℃，高于或低于適宜溫度時(shí)，整精米率都會(huì)下降。在碾米品質(zhì)諸多性狀中，糙米率和精米率的變異相對(duì)較小，而整精米率則變異較大[6]。稻米堊白大小與水稻齊穗后15 d內(nèi)的溫度狀況密切相關(guān)，此時(shí)段溫度較高可使稻米堊白面積顯著提高[7]。灌漿速率前快后慢被認(rèn)為是堊白發(fā)生率高的重要原因，而灌漿速率均勻有利于堊白的減少，但也與品種遺傳特性有很大關(guān)系[8]。有研究認(rèn)為，長(zhǎng)方柱狀細(xì)胞（即小細(xì)胞）是產(chǎn)生和增加堊白的最重要因素，但只有細(xì)胞內(nèi)的淀粉粒為圓球形、排列松散時(shí)才形成堊白[9-11]。小細(xì)胞多的品種堊白多，成熟期溫度高造成胚乳腹部的小細(xì)胞數(shù)目多，堊白粒率高，這可能是低溫較高溫凹形多但堊白少的原因。

決定秈稻品種的商業(yè)價(jià)值、食味性和應(yīng)用前景等方面主要有以下幾項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)：粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、整精米率、堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量。其中粒長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比是商品稻米分類及定價(jià)的主要依據(jù)[12]。堊白粒率和堊白度是稻米品質(zhì)能否達(dá)到優(yōu)質(zhì)或國(guó)標(biāo)定級(jí)最主要的制約因子[13]，同時(shí)也是水稻品質(zhì)育種最難達(dá)到的指標(biāo)之一。整精米率偏低是目前影響優(yōu)質(zhì)米加工成本、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)稻品種價(jià)值的主要障礙之一。因此，通過(guò)育種途徑選育直鏈淀粉含量中等、堊白粒率低和整精米率高的優(yōu)質(zhì)稻品種是提升稻米品質(zhì)檔次最直接有效的途徑，同時(shí)通過(guò)不同的栽培管理措施加以調(diào)控[6，14]。

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