食用木槿資源主要農藝性狀的主成分分析和聚類分析

陳家龍,余宏傲,朱建軍,戎建濤

（溫州科技職業(yè)學院,溫州325006）

植物資源的評價和分類是品種收集、選育和改良的基礎工作之一,在評價作物、蔬菜、果樹、花卉等種質資源時,采用傳統(tǒng)加權打分法,具有一定的主觀性[1];而食用栽培植物,其農藝性狀中,數量性狀較多,各變量之間往往具有某種關聯(lián),觀測數據反映的信息在一定程度上有相關性[1-2],不利于種質資源的評價和利用。主成分分析是一種降維的統(tǒng)計方法,在眾多的農藝性狀中,找出少數幾個綜合因子來代表原來眾多的變量,盡可能地反映原來變量的信息量;綜合因子之間互不相關,從而達到簡化目的[3],有利于對收集的資源進行評價。聚類分析既可以將某些未知個體正確地歸屬到其中的某一類[4],也可以在不知群體具體分類的情況下,通過數據分析對群體進行分類,是研究植物資源分類和親緣關系的主要方法之一。主成分分析和聚類分析為研究種質資源之間的關系及對其進行綜合評價提供了科學的方法,在農作物[5-8]、蔬菜[9-10]、花卉[11]、經濟作物[12-13]等資源評價及利用上得到了廣泛應用。

木槿（Hibiscus syriacus）為錦葵科木槿屬植物,花期長,除了觀賞綠化外,我國部分地區(qū)居民一直有食用木槿花朵的習俗,故又稱為面花、雞肉花等。木槿花烹飪入饌早在晉代就有記載[14],浙南、皖南、閩北、閩西和贛南等地區(qū)居民具有采摘木槿花食用的風俗[15-17]。隨著社會經濟的發(fā)展,木槿因其食用和保健價值而作為食用花卉,其烹飪方法多樣,味道清香,滑嫩可口,已成為綠色特色菜肴。中醫(yī)認為其味甘苦,性涼;歸脾、肺、肝經,有清熱燥濕、止咳、涼血的功效[18];現(xiàn)代營養(yǎng)學研究表明,木槿花含有適中的粗蛋白、粗纖維、維生素C、黃酮類,鈣、鐵、鋅等礦質元素含量豐富,具有16種氨基酸,并且還具有特殊的黏性物質,營養(yǎng)豐富[17-18]。木槿作為食用栽培生產,主要集中在長江以南地區(qū),如安徽南部、江西、上海、浙江、福建和廣州等地[19],由于受地理、生長環(huán)境等影響,特別是飲食習俗和栽培種類的不同,形成了眾多的木槿食用資源。目前,國內對木槿的研究主要見于栽培技術[20]、藥用研究[6]等,也有少量對木槿花營養(yǎng)及食用價值的報道[17-18,21],其他方面研究較少。木槿品種的選育、雜交育種等工作主要集中在韓國、美國[22-25],國內未見相關報道。鑒定評價現(xiàn)有種質資源是品種選育、良種推廣等應用的基礎,本試驗對不同木槿食用資源進行主成分分析和聚類分析,以期為食用木槿種質的收集、保存、創(chuàng)新、利用等提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為溫州科技職業(yè)學院2012—2013年收集的13個不同食用木槿栽培類型,編號及特性見表1。

表1 13個食用木槿來源及特征Table 1 The characters and origins of 13 edible hibiscus

1.2 試驗方法

1.2.1 田間試驗設計

田間試驗于2016年在溫州市種子種苗示范基地（溫州科技職業(yè)學院藤橋科技園）進行,試驗采用隨機區(qū)組設計,3次重復。株距為1.2 m,行距為1.5 m,栽培管理措施同一般田間生產。

1.2.2 數量性狀測定

在生長期和開花期,分別記錄不同食用木槿栽培類型的當年最長枝條長度、花蕾長、花蕾重量、花徑、花萼長、花柱長、花梗長、第一輪花瓣長、花瓣數、花朵重量、枝頂花蕾數、花量（花∕株·日）、始花期、開花天數。不同栽培類型隨機抽樣10株觀察記載,重復3次。

1.2.3 質量性狀測定

質量性狀按括號中的數字進行編碼,以便進行統(tǒng)計分析?；ò昊渴欠裼邪唿c:無斑點（1）、有斑點（2）;花萼是否容易剝離:易剝離（1）、不易剝離（2）。不同栽培類型隨機抽樣10株觀察記載,重復3次。

1.3 數據計算與統(tǒng)計處理

測量13個食用木槿栽培類型的16個農藝性狀,基本觀察測量數據采用 Excel 2003軟件處理,采用SRSS 16.0軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 主成分分析

2.1.1 主要農藝性狀的主成分貢獻率

對13個食用木槿的16個農藝性狀進行主成分分析,通過主成分分析對眾多性狀進行降維,13個食用木槿的16個農藝性狀主成分分析結果見表2。選取特征值大于1的前4個主成分,第1主成分方差貢獻率達35.675%,特征值為5.708;第2主成分方差貢獻率為30.928%,特征值為4.948;第3主成分方差貢獻率為12.918%,特征值為2.067;第4主成分方差貢獻率為7.898%,特征值為1.264。此4個主成分累計貢獻率為87.419%,滿足Σλm∕Σλp≥0.85的要求,即此4個主成分代表了食用木槿農藝性狀87.419%的綜合信息。

表2 13個食用木槿的16個農藝性狀的主成分貢獻率和累計貢獻率Table 2 The principal components contribution and accumulated contribution of 16 agronomic characters of 13 edible hibiscus

2.1.2 主要性狀相關矩陣的特征向量及其相關系數

由表3可知,第1主成分中,花蕾長、花萼長、第一輪花瓣長、花柱長、年最長枝長、花量、斑點、易剝離具有較高的特征向量,其中花柱長、花萼長、第一輪花瓣長、斑點的特征向量分別為0.943、0.858、0.767、0.755,主要反映食用木槿花朵的形態(tài)特征,年最長枝長、花量基本反映了食用木槿的生長勢,即第1主成分反映了食用木槿的花朵形態(tài)和生長勢的綜合指標。第2主成分中,花徑、花瓣數、花朵重量、花蕾重量、花梗長、開花天數具有較高的特征向量,其中花徑、花瓣數、花朵重量、花蕾重量、開花天數的特征向量分別為0.858、0.694、0.604、0.614、0.692,此類指標均為花朵的重量和開花天數,涉及到整個生產季節(jié)的產量問題,表明第2主成分是主要反映食用木槿產量的綜合指標;并且在此主成分中,花量的特征向量是負值,為-0.532,說明花朵多的植株或栽培類型,整個采摘期的產量不一定高。第3主成分中,花蕾重量、花量、始花期具有較高的特征向量,表明第3主成分是主要反映食用木槿的開花特性的綜合指標。第4主成分中,只有枝頂花蕾數具有較高的特征向量,表明第4主成分是主要反映食用木槿的枝頂的花蕾量的綜合指標。根據4個主成分因子特征向量的大小,篩選4組農藝性狀因子（表4）。

表3 食用木槿的16個農藝性狀的特征向量Table 3 The eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

2.1.3 16個主要農藝性狀的相關矩陣R

由表5可知,花徑大小與花瓣數、花蕾長、花蕾重量、開花天數具有較強的相關性,花瓣數量的多少與花朵重量、花蕾重量具有較強的相關性,相關系數分別為0.975、0.929,與花量、年最長枝長呈較強負相關性,相關系數分別為-0.533、-0.659,花朵重量與花瓣數、花蕾重量呈較強相關性;與花柱長呈現(xiàn)較強負相關性,相關系數為-0.531;表明花柱越長,木槿的雄蕊瓣花越少,花瓣少,花朵重量就降低,符合實際情況?；ɡ匍L與花徑、花柱長、花萼長具有強相關性;花蕾重量與花徑、花瓣數、花朵重量具有強相關性,相關系數分別為0.600、0.929、0.928;花萼長與花蕾長、花柱長、第一輪花瓣長、斑點、容易剝離具有一定相關性;花柱長除了與花蕾長、花萼長具有較強相關性外,與第一輪花瓣長、斑點、容易剝離有一定相關性;頂枝花蕾數量與其他性狀的相關性不強。花量與年最長枝長呈較強相關性,相關系數為0.681,由于木槿是當年生枝條花芽分化,當年生枝條越長,花量越多,符合木槿的生長特性。始花期與其他性狀相關性不強,質量性狀有無斑點與花蕾長、花柱長、第一輪花瓣長、開花天數具有一定的相關性,質量性狀花萼是否容易剝離特性與花萼長、花量、年最長枝長有一定的相關性。

表4 食用木槿農藝性狀主成分不同層次的指標及其特征向量Table 4 The indexes and eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

表5 16個主要農藝性狀的相關矩陣RTable 5 The coefficient of correlation matrix on 16 agronomic characters

2.2 聚類分析

根據食用木槿的16個農藝性狀進行Q型聚類,采用歐氏距離平方,以Ward法對13個食用木槿類型進行聚類,結果表明:13個食用木槿類型可以分為3個大類,第I類包括CF-1、CF-3、CH-1、CZH-1;第II類包括 DZ-2、DZ-3、DZ-1、CF-2 和 DB-1;第 III類包括 CB-2、CB-3、CB-1、CB-4（圖 1）。

進一步細分,第I類可以分為3小類,第一小類為CF-1和CF-3,第二小類和第三小類分別為CH-1、CZH-1;第II類可以分為3小類,第一小類為DZ-2和DZ-3,第二類小是DZ-1、CF-2,第三小類為DB-1;第III類可以分為3小類,第一小類CB-2和CB-3,第二小類和第三小類分別為CB-1、CB-4。

圖1 13個食用木槿的聚類關系Fig.1 Dendrogram reflecting genetic relationship between 13 edible hibiscus based on analysis of 16 agronomic characters

3 討論與結論

通過對食用木槿16個農藝性狀進行主成分分析,形成了4個主成分,代表了食用木槿農藝性狀87.419%的綜合信息,此4個主成分反映了花朵形態(tài)、生長勢、產量、開花特性等綜合信息。表明食用木槿選育工作中,需主要關注此類農藝性狀,并且需注意特征向量為負值的農藝性狀,如第2主成分中的花量性狀,其特征向量為-0.532。食用木槿的產量不僅是花量單一因素決定,還涉及到花蕾重、花重等農藝性狀,在食用木槿中,花量大,可能說明單朵花和花蕾的重量少。

通過16個農藝性狀的相關矩陣R分析發(fā)現(xiàn),有些性狀之間呈現(xiàn)較強的正相關,有些性狀間呈現(xiàn)較強負相關,表明性狀之間既有聯(lián)系又有制約,單朵花瓣數量的多少與花朵重量、花蕾重量呈現(xiàn)正相關性,與花量呈較強負相關性,即單朵花瓣數量越多,花朵和花蕾越重,但同時單株的花量越少,說明單瓣型食用木槿的花量比重瓣型的花量多?；ǘ渲亓颗c花柱長度呈現(xiàn)較強負相關性,也說明了花柱長,其瓣化率低,重量降低。從木槿花型結構分析,其單瓣為5瓣,重瓣是在此基礎上的雌雄蕊瓣化而成,先是雄蕊瓣化,而后是雌蕊瓣化,符合木槿花的特性。根據主成分分析,可以減少工作量,便于分析眾多農藝性狀之間的相互關系,并且可以進一步建立評價模型,為選育和生產提供參考。

16個農藝性狀運用Q型聚類分析,可將13個食用木槿栽培類型分為3個大類。本研究沒有將花色作為農藝性狀指標,只對花朵形態(tài)、產量、開花特性等農藝性狀進行聚類,結果基本突出了花色和花型為聚類成果,即第I類是以重瓣為花型,顏色包括紅色,粉色、紫紅色,第II類以單瓣為主體,顏色包括紫色、白色;第III類均為重瓣花型,花色為白色。這也反映了木槿群體的基本親緣關系和演化,從歐氏距離平方上看,相對重瓣白色木槿,單瓣紫色類型與重瓣紅色、粉色親緣關系更近,說明木槿的花型是從單瓣演化為重瓣;花色最原始為紫色,演化為粉色或紅色,白色是較為進化的類型,說明重瓣白色木槿是較進化的類型。本研究也觀察了不同重瓣白花木槿瓣化類型,即先是雄蕊瓣化,再是雌蕊瓣化,其他顏色重瓣類型,沒有發(fā)現(xiàn)雌蕊瓣化現(xiàn)象,也應證了本研究聚類結果。本研究對觀賞型木槿的分類也具有一定的參考價值,可以在分子水平上對木槿的分類及親緣關系進行更深入的研究。