基于主成分和系統(tǒng)聚類分析的烤煙種質(zhì)資源化學品質(zhì)評價

許美玲　肖炳光　焦芳嬋

摘要：[目的]評價烤煙種質(zhì)資源的化學品質(zhì)，篩選出化學品質(zhì)優(yōu)良的烤煙種質(zhì)資源，為煙草育種親本選擇及其種質(zhì)資源有效利用提供參考。[方法]對124份烤煙種質(zhì)資源的10項化學指標進行標準化處理，并進行主成分分析和系統(tǒng)聚類分析，以普遍認可的煙葉化學成分適宜范圍衡量各種質(zhì)資源的煙葉化學品質(zhì)。[結(jié)果]第1類的主成分綜合得分為2.040，包括42份種質(zhì)，其化學品質(zhì)特點是還原糖、總糖、總氮、煙堿、氮堿比、糖堿比、蛋白質(zhì)和兩糖差等主要化學成分指標適宜，鉀較高，綜合化學品質(zhì)好，多數(shù)審（認）定品種和優(yōu)質(zhì)資源被聚在此類；第1I類的主成分綜合得分為2.450，包括7份種質(zhì)，其化學品質(zhì)特點是總糖、還原糖、總氮、煙堿、糖堿比、氮堿比和蛋白質(zhì)等指標適宜，化學成分協(xié)調(diào)，煙葉品質(zhì)較好；第1II類的主成分綜合得分為-1.360，包括20份種質(zhì)，其化學品質(zhì)特點是總氮適宜，糖堿比、煙堿、總糖和還原糖較適宜，但鉀、氯、兩糖差和蛋白質(zhì)等的標準化值不適宜，綜合化學品質(zhì)中等；第Ⅳ類的主成分綜合得分為-1.180，包括11份種質(zhì)，其化學品質(zhì)特點是總氮、鉀、氯適宜，總糖、還原糖和氮堿比較適宜，綜合化學品質(zhì)中等；第Ⅴ類的主成分綜合得分為-0.110，包括13份種質(zhì)，其化學品質(zhì)特點是總氮、煙堿、氯和氮堿比適宜，總糖、還原糖、糖堿比和兩糖差較適宜，但鉀含量較低，品質(zhì)較好；第Ⅵ類的主成分綜合得分為-1.380，包括23份種質(zhì)，其化學成分特點是總糖、還原糖、總氮、蛋白質(zhì)和糖堿比適宜，煙堿、鉀、氯和氮堿比較適宜，其余指標不適宜；第Ⅶ類的主成分綜合得分為3.700，包括8份種質(zhì)，其化學成分特點是氮堿比適宜，總氮、氯和鉀較適宜，其余指標不適宜。[結(jié)論]各類烤煙種質(zhì)資源的化學成分存在明顯差異，其中金星6007、白花205、春雷一號、春雷三號、G-28、中煙90、K326、Kutsaga 51E、保山團葉、寸莖煙、潘圓黃、581永定一號、吉煙7號、Kutsaga El、SC58、T.I.706和朝鮮抗赤等化學品質(zhì)較好的種質(zhì)資源，可作為親本材料用于煙草新品種選育。

關(guān)鍵詞：烤煙；種質(zhì)資源；化學品質(zhì)；綜合評價；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S572.024 文獻標志碼：A 文章編號：2095-1191（2017）11-1937-11

0引言

[研究意義]化學成分是煙葉品質(zhì)的性能指標，也是卷煙工業(yè)考慮煙葉可用性的重要因素，主要包括總糖、還原糖、總氮、煙堿、氯和鉀等。煙葉化學成分組成和含量及其協(xié)調(diào)性是煙草品種資源的重要特征特性，與評吸質(zhì)量、外觀質(zhì)量、物理特性及安全性等均密切相關(guān)，不同類型煙草和品種間化學成分存在一定差異。隨著煙草化學及其檢測技術(shù)的發(fā)展，化學成分在煙葉品質(zhì)評價中占據(jù)重要地位，且煙葉原料的化學成分指標及其協(xié)調(diào)平衡程度在卷煙生產(chǎn)中日益被重視（云南省煙草科學研究所，2007）。因此，對烤煙種質(zhì)資源的煙葉化學成分進行主成分分析和聚類分析，以了解各煙草種質(zhì)資源化學特性，篩選出化學品質(zhì)優(yōu)良的烤煙種質(zhì)資源對煙草育種及其種質(zhì)資源有效利用均具有重要意義。[前人研究進展]已有大量研究表明，煙葉中主要化學成分的含量和協(xié)調(diào)性決定了煙葉及其制品的煙氣特征，也間接決定了煙葉的工業(yè)可用性（黎根等，2007）。因此，煙葉化學成分是卷煙工業(yè)衡量煙葉原料品質(zhì)的重要指標，其主要受氣候條件、土壤類型（逄濤等，2013）、品種（李勇等，2013）等因素的影響，不同的土壤、氣候、產(chǎn)區(qū)和品種能生產(chǎn)出化學品質(zhì)不同的煙葉（晉艷等，1999；常愛霞等，2009）。目前，對煙葉化學成分指標適宜范圍的劃分尚存在分歧。但普遍認可的煙葉化學成分適宜范圍為：總糖18%-24%、還原糖16%-22%、尼古丁2.4%-2.6%、總氮1.9%-2.1%、蛋白質(zhì)6%-10%、兩糖差2.3%-3.4%，化學成分在此范圍內(nèi)的煙葉品質(zhì)較好（金聞博等，2000；劉國順，2003；閆克玉和趙銘欽，2008；韓富根，2010；唐珂等，2011）。近年來，主成分分析法（Principal components analy-sis，PCA）已廣泛應(yīng)用于煙草品種的篩選及質(zhì)量評價研究領(lǐng)域（楊再波等，2006；李國棟等，2008；劉春奎等，2015；張朝等，2015）。聚類分析法（cluster anal-ysis）也已廣泛用于煙草化學品質(zhì)分析（劉杰等，2009）及其模型建立（申欽鵬等，2005）。[本研究切入點]至今，鮮見將主成分分析法和聚類分析法結(jié)合分析煙草種質(zhì)資源化學成分的研究報道。[擬解決的關(guān)鍵問題]以普遍認可的煙葉化學成分適宜范圍衡量124份烤煙種質(zhì)資源的煙葉化學品質(zhì)，結(jié)合主成分分析法和系統(tǒng)聚類分析法對其進行分析，以期篩選出化學品質(zhì)優(yōu)良的烤煙種質(zhì)資源，為煙草育種親本選擇及其種質(zhì)資源有效利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試的124份烤煙種質(zhì)資源是從中國農(nóng)業(yè)科學院公布的446份核心種質(zhì)中挑選出來，具體來源見表1?？緹煼N子均由云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院種質(zhì)庫提供。

1.2試驗設(shè)計及取樣

田間試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，每小區(qū)種植20株，株行距1.20cm×0.50cm。施肥量97.5kg/ha，氮：磷：鉀=1：1：3，以30%復合肥作底肥，其余肥料于栽后20d作為追肥施用。5月底～6月初進行培土，及時防治病蟲害，每周除草1次。打頂后在田間標記中部葉片（從下往上第8-13葉位），分小區(qū)采收成熟煙葉，編桿后進行烘烤，選出標記的中部葉片送至云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院進行常規(guī)化學成分檢測。

1.3原始數(shù)據(jù)標準化處理

由于原化學指標的量綱不統(tǒng)一、數(shù)量級差異也較大，因此，為消除量綱和數(shù)量級對綜合評價帶來的不良影響，須對各化學指標進行標準化處理。10項化學指標按煙葉品質(zhì)的適宜指標（該指標含量在一定范圍內(nèi)，表明煙葉品質(zhì)最好，超出該范圍的煙葉品質(zhì)較差）進行標準化處理。由于鉀含量越高，煙葉品質(zhì)越好，故以鉀含量最高的數(shù)值進行標準化處理。由于各類型化學指標適宜范圍（評價標準）的確定是一個復雜而長期的過程，因此，目前主要根據(jù)歷史文獻和專家經(jīng)驗進行確定（金聞博等，2000；劉國順，2003；李國棟等，2008；韓富根，2010；閆克玉和趙銘欽，2008；唐珂等，2011），具體見表2。

1.3主成分分析與系統(tǒng)聚類分析

在原始數(shù)據(jù)標準化處理的基礎(chǔ)上，利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（唐啟義，2010）進行主成分分析，并計算主成分綜合得分（各提取主成分得分與該主成分貢獻率的乘積之和）；應(yīng)用歐氏距離法對計算各種質(zhì)綜合得分的距離，以歐氏距離衡量各種質(zhì)問品質(zhì)差異，采用重心法進行系統(tǒng)聚類分析。

2結(jié)果與分析

2.1相關(guān)性分析結(jié)果

對124份烤煙資源的10項化學指標進行標準化處理，并計算各化學指標間的Pearson簡單相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3所示。總糖與還原糖、總氮、糖堿比、蛋白質(zhì)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01，下同）；還原糖與總氮、糖堿比、蛋白質(zhì)呈極顯著正相關(guān)；煙堿與糖堿比、氮堿比、兩糖差呈極顯著正相關(guān)，與蛋白質(zhì)呈顯著正相關(guān)（P<0.05，下同）；鉀與氯、糖堿比呈顯著負相關(guān)。綜上所述，煙葉各化學成分間有一定的相關(guān)性，故直接利用煙葉化學成分組成及含量對煙葉進行評價，會產(chǎn)生信息重疊，導致評價結(jié)果出現(xiàn)偏差（李國棟等，2008）。

2.2主成分分析結(jié)果

10項化學指標相關(guān)矩陣的特征根、貢獻率及累計貢獻率的計算結(jié)果顯示，前6個特征根的累計貢獻率為89.6602%，其特征向量和貢獻率如表4所示。第一主成分的貢獻率為33.3384%，總糖、還原糖、糖堿比和蛋白質(zhì)的特征向量均為較大正數(shù)，說明第一主成分是烤煙化學品質(zhì)的主要決定因子；第二主成分的貢獻率為16.1007%，其中煙堿和氮堿比的特征向量均為較大正數(shù)，說明煙堿和氮堿比對第二主成分貢獻較大；第三主成分的貢獻率為13.2597%，其中鉀的特征向量為較大正數(shù)，說明鉀對第三主成分貢獻較大；第四主成分的貢獻率為10.3833%，其中氯的特征向量為較大負數(shù)，說明氯對第四主成分貢獻較大；第五主成分的貢獻率為8.7098%，其中兩糖差的特征向量為較大負數(shù)，說明兩糖差對第五主成分貢獻較大；第六主成分貢獻率為7.8684%，其中總氮的特征向量為較大正數(shù)，說明總氮對第六主成分的貢獻較大。

根據(jù)主成分計算公式可獲得6個主成分與10項化學指標的線性組合，計算出124份烤煙資源的主成分綜合得分，結(jié)果如表5所示。中煙90得分最高，其次是SC58，隨后依次是白花205、G-28、云煙85、K730、吉煙5號、NC27NF、小黃金1025和T29等；得分較低的種質(zhì)資源有KY151、高大煙、KRK22、T64、K346、云煙201、Vesta 33、1-35、云煙99和Special 400等。根據(jù)種質(zhì)資源綜合得分越高其化學品質(zhì)越好的原則判定，可知中煙90的化學品質(zhì)最佳、KY151的化學品質(zhì)最差。

2.3系統(tǒng)聚類分析結(jié)果

采用離差平方和法對綜合得分進行系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖1和表6所示。按距離系數(shù)7.0截取，可將124份烤煙種質(zhì)資源分成七大類（圖1），各類的種質(zhì)資源名稱及其數(shù)量見表6。第1類的主成分綜合得分為2.040，包括42份種質(zhì)，其中云煙87、云煙317-2、NC82、中煙90、G-80、云煙97、G-28、云煙85、RG17、K326和龍江911為全國煙草品種審定委員會審（認）定品種（以下簡稱“審（認）定品種”）。第Ⅱ類的主成分綜合得分為2.450，包括7份種質(zhì)（春雷三號、T1706、T1245、山東多葉、581、K730和SC58）。第Ⅲ類的主成分綜合得分為-1.360，包括20份種質(zhì)，其中紅花大金元、KRK26和云煙202等為審（認）定品種，NC2326為美國的標準品種。第Ⅳ類的主成分綜合得分為-1.180，包括11份種質(zhì)，其中長脖黃、中煙14、吉煙7號、貴煙11號、云煙99、中煙100等為審（認）定品種。第V類的主成分綜合得分為-0.110，包括13份種質(zhì)，NC89是北方區(qū)對照品種。第Ⅵ類的主成分綜合得分為-1.380，包括23份種質(zhì)資源，其中V2、G-140、龍江851和翠碧一號為審（認）定品種。第Ⅶ類的主成分綜合得分為-3.700，包括8份種質(zhì)，其中云煙201為審（認）定品種。

綜上所述，多數(shù)全國煙草品種審定委員會審（認）定品種被聚在綜合化學品質(zhì)較好的第1類，但紅花大金元、KRK26、云煙202、NC2326、臺煙8號等審（認）定品種被聚在綜合化學品質(zhì)中等的第Ⅲ類。

2.4化學品質(zhì)綜合評價結(jié)果

各類烤煙種質(zhì)資源的化學品質(zhì)詳見表7。

第1類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比的平均值分別為28.04%、24.45%、1.99%、2.32%、1.74%、1.23%、3.59%、9.93%、12.99和0.90；標準化后，還原糖、總氮、煙堿、鉀和氮堿比的平均標準化值為0.90-0.98；總糖、糖堿比、蛋白質(zhì)和兩糖差的平均標準化值為0.80-0.89，氯的平均標準化值最低為0.73。說明該類的還原糖、總氮、煙堿、鉀和氮堿比適宜，總糖、糖堿比、蛋白質(zhì)和兩糖差等指標較適宜。

第Ⅱ類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比等化學成分的平均值分別為25.60%、22.16%、2.06%、2.98%、1.59%、1.24%、3.44%、9.67%、9.27和0.73；標準化后，總糖、還原糖、總氮、煙堿、糖堿比、氮堿比和蛋白質(zhì)等的平均標準化值分別為0.90-0.99，均在適宜范圍，但鉀和兩糖差的平均標準化值較低，為0.75和0.45。說明該類的總糖、還原糖、總氮、煙堿、糖堿比、氮堿比和蛋白質(zhì)適宜，其余指標不適宜。

第Ⅲ類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比、氮堿比等各化學成分的平均值分別為28.17%、24.70%、1.94%、2.67%、1.47%、1.15%、3.48%、9.27%、11.60和0.76；標準化后，總氮的平均標準化值為0.94，糖堿比、煙堿、總糖和還原糖的平均標準化值為0.80-0.89，鉀、氯、兩糖差和蛋白質(zhì)的平均標準化值為0.68-0.79。說明該類的總氮為適宜，糖堿比、煙堿、總糖和還原糖較適宜，鉀、氯、兩糖差和蛋白質(zhì)等指標不適宜。

第Ⅳ類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比的平均值分別為25.47%、20.65%、2.02%、2.40%、1.64%、1.12%、4.83%、10.06%、11.49和0.88；標準化后，總氮、鉀和氯的平均標準化值為0.93-0.98，總糖、還原糖和氮堿比的平均標準化值為0.81-0.88，煙堿、糖堿比、兩糖差和蛋白質(zhì)的平均標準化值為0.55-0.78。說明該類的總氮、氯和鉀適宜，總糖、還原糖和氮堿比較適宜，煙堿、糖堿比、兩糖差和蛋白質(zhì)等不適宜。

第Ⅴ類烤煙的化學品質(zhì)特點：標準化前，總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比的平均值分別為27.82%、24.10%、1.97%、2.51%、1.65%、1.18%、3.72%、9.58%、11.45和0.80；標準化后，總氮、煙堿、氯、氮堿比等平均標準化值為0.91～0.99，總糖、還原糖、糖堿比和兩糖差的平均標準化值為0.80-0.85，鉀和蛋白質(zhì)平均標準化值分別為0.68和0.77。說明該類的總氮、煙堿、氯和氮堿比適宜，總糖、還原糖、糖堿比和兩糖差較適宜。

第Ⅵ類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比的平均值分別為26.04%、23.10%、2.03%、2.72%、1.64%、1.33%、2.95%、9.75%、10.28和0.80；標準化后，總糖、還原糖總氮、糖堿比和蛋白質(zhì)的平均標準化值為0.92-0.98，煙堿、鉀、氯和氮堿比的平均標準化值為0.80-0.85，兩糖差的平均標準化值為0.76。說明該類的總糖、還原糖、總氮、糖堿比和蛋白質(zhì)適宜，煙堿、鉀、氯和氮堿比較適宜。

第Ⅶ類烤煙的化學品質(zhì)特點：總糖、還原糖、總氮、煙堿、鉀、氯、兩糖差、蛋白質(zhì)、糖堿比和氮堿比的平均值分別為29.90%、23.99%、1.84%、1.96%、1.73%、1.10%、5.92%、9.39%、16.75和1.00；標準化后，氮堿比的平均標準化值為0.93，總氮、鉀和氯的標準化值為0.80-0.89，總糖、還原糖、煙堿、糖堿比、兩糖差、蛋白質(zhì)的平均標準化值為0.53-0.69。說明該類氮堿比適宜，總氮、鉀和氯較適宜，其余指標不適宜。

綜上所述，第Ⅰ和Ⅱ類烤煙的主要化學成分較適宜，綜合化學品質(zhì)好，多數(shù)審（認）定品種和優(yōu)質(zhì)資源被聚在此類；第Ⅲ和Ⅴ類烤煙的總糖、還原糖、煙堿和糖堿比較高，綜合化學品質(zhì)中等；第Ⅴ和Ⅵ類烤煙的總糖、還原糖和鉀較高，總氮、煙堿和蛋白質(zhì)適宜，綜合化學品質(zhì)較好；第Ⅶ類烤煙的總糖和還原糖較高、煙堿較低、糖堿比較高，綜合化學品質(zhì)較差。

2.5系統(tǒng)聚類結(jié)果驗證

目前，常用化學指標適宜范圍衡量煙葉的品質(zhì)，在適宜范圍內(nèi)的化學指標越多，表明煙葉品質(zhì)越好。本研究用化學指標適宜范圍對各種質(zhì)進行分類，結(jié)果如表8所示。金星6007達7項適宜指標，白花205、春雷一號、春雷三號、G-28、中煙90和Kutsaga51E達6項適宜指標，保山團葉、寸莖煙、潘圓黃等11份種質(zhì)資源達5項適宜指標，上述這些種質(zhì)被聚在化學指標適宜、品質(zhì)較好的第Ⅰ和Ⅱ類。達2-3項適宜指標的多被聚在第Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ類。達0-1項適宜指標的2個種質(zhì)（T64和KRK22）被聚在品質(zhì)差的第Ⅶ類。表明聚類分析結(jié)果準確可靠。

3討論

通過化學指標標準化處理，用化學指標適宜范圍衡量煙葉的品質(zhì)，在適宜范圍內(nèi)的化學指標項數(shù)越多，且與適宜值越接近，煙葉品質(zhì)越好。同時，通過主成分分析和系統(tǒng)聚類分析，將化學品質(zhì)接近的歸為一類，以此可篩選出品質(zhì)優(yōu)良的種質(zhì)資源，便于烤煙資源的有效利用。但其具有局限性，因為以化學指標適宜值為中心向兩頭分化，偏離中心值（適宜值）越多，標準化值越小，而標準化值只能衡量偏離中心值的遠近，無法判斷比中心值高或低。因此，煙葉化學成分分析評價方法有待進一步提高。

因煙草類型、地域來源等不同，煙葉化學成分指標適宜范圍劃分存在明顯差異。整體來看，優(yōu)質(zhì)烤煙要求總糖18%-22%，還原糖16%-20%，總氮1.5%～3.5%，煙堿1.5%～3.5%，鉀>2%，氯0-3%～0.8%，糖堿比8-12，氮堿比≤1，鉀氯比>4（李永忠等，2011；肖雅等，2012；閆洪洋等，2012；董高峰等，2015；耿召良等，2015）。但還要考慮其他因素的影響，如云南地處高原，晝夜溫差大，干物質(zhì)積累較多，導致云南種植的煙葉總糖含量較高，而第一主成分的貢獻率最大（33.3384%），因此，總糖含量高于適宜范圍的資源，如紅花大金元、云煙202、云煙203、云煙99和云煙201等，其化學成分綜合得分會下降，造成這些優(yōu)質(zhì)的推廣品種被聚在化學品質(zhì)中等的類別。但云南廣泛種植的烤煙K326主要化學成分總體協(xié)調(diào)，被聚在第1類，其特點為總糖和還原糖含量較高，總氮含量、煙堿含量、氯含量、糖堿比、氮堿比和鉀氯比均較適宜（高云才等，2014，2015）。

單純分析化學成分對品質(zhì)的影響有一定局限性，應(yīng)深入全面研究。李勇等（2013）、逄濤等（2014）、王世沛和溫圣賢（2012）分別研究了國內(nèi)外烤煙、土壤類型、品種和地域等對煙葉質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，我國烤煙的總氮、多酚、氯、鉀、揮發(fā)酸、揮發(fā)堿、總植物堿、石油醚提取物等指標顯著低于國外烤煙，而蛋白質(zhì)、總糖、還原糖、糖堿比、氮堿比則顯著高于國外烤煙；土壤類型對紅花大金元煙葉化學成分影響較大，對云煙85和云煙87影響較小；不同品種和地區(qū)間煙葉化學成分含量均存在顯著差異。近年來，我國在煙葉感官品質(zhì)、香氣品質(zhì)、致香物質(zhì)及種質(zhì)聚類分析和模型建立等方面的研究取得一定成效（申欽鵬等，2005；楊再波等，2006；李國棟等，2008；趙會納等，2009；唐珂等，2011；李勇等，2013；劉杰等，2009），篩選出優(yōu)質(zhì)烤煙種質(zhì)資源用于育種和生產(chǎn)，以提高資源利用率。今后應(yīng)加強烤煙種質(zhì)資源的致香成分、感官質(zhì)量等多方面的研究，對煙草種質(zhì)資源品質(zhì)進行全面系統(tǒng)評價。

4結(jié)論

各類烤煙種質(zhì)資源的化學成分存在明顯差異，其中金星6007、白花205、春雷一號、春雷三號、G-28、中煙90、K326、Kutsaga 51E、保山團葉、寸莖煙、潘圓黃、581永定一號、吉煙7號、Kutsaga E1、SC58和T.I.706、朝鮮抗赤等化學品質(zhì)較好的種質(zhì)資源，可作為親本材料用于煙草新品種選育。

（責任編輯陳燕）