上海市松江區(qū)粳稻稻米品質(zhì)主成分分析和聚類分析

顧 嘯，陸銘昌，金菊花，黃慧珍，毛璦璇，姚麒麟

(上海市松江區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海 201611)

水稻是我國最主要的糧食作物之一，對保障我國糧食安全具有重要的意義，提升其產(chǎn)量和品質(zhì)一直以來都是水稻品種改良的主要目標[1]。 近年來，隨著超級稻技術(shù)的研究與推廣，我國水稻產(chǎn)量不斷取得突破，2015年平均產(chǎn)量達到6 892.5kghm2[2]。同時，隨著人民消費水平和生活品質(zhì)的不斷提高，對于優(yōu)質(zhì)稻米的需求量越來越大。水稻生產(chǎn)逐漸由過去的數(shù)量增長型向質(zhì)量效益型轉(zhuǎn)變[3]，提升稻米品質(zhì)成為許多地區(qū)關(guān)注的重點。

松江區(qū)位于上海市西南部，屬亞熱帶濕潤季風氣候，水稻是其最主要的糧食作物，常年種植面積約10 500hm2。2014年，“松江大米”成為上海市唯一獲評的稻米類“國家地理標志保護產(chǎn)品”，水稻生產(chǎn)逐步走上優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、可持續(xù)的品牌化發(fā)展道路。目前，對上海市松江區(qū)水稻的研究主要集中在水稻品種篩選和栽培技術(shù)措施上[4-5]，對其稻米品質(zhì)的研究尚未見報道。據(jù)此，本試驗以上海市松江區(qū)種植的13個粳稻品種(系)為研究對象，利用統(tǒng)計方法對其稻米品質(zhì)進行綜合分析，以期為上海郊區(qū)水稻品質(zhì)的改良提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種(系)

選取2016年種植在松江區(qū)良種繁育場的13個粳稻品種(系)為試驗材料，分別為‘秀水134’‘秀水114’‘秀水121’‘南粳46’‘嘉禾218’‘松早香1號’‘松早香2號’‘松香粳1018’‘S66’‘蘇香粳100’‘松66’‘松38-2-2’和‘松41-2’。種植田塊前茬為綠肥，地力均勻，肥力中等，土壤類型屬“青紫泥”，質(zhì)地為重壤。水稻全生育期每667m2施純氮23.79kg，基肥∶分蘗肥∶穗肥為5∶2∶3，水漿管理以淺水勤灌為主，其他田間管理同一般大田生產(chǎn)。

1.2 檢測性狀

2016年將13個粳稻品種(系)樣品由松江區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心統(tǒng)一送至農(nóng)業(yè)部稻米及其制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心進行稻米品質(zhì)檢測，包括糙米率(X1)、整精米率(X2)、精米率(X3)、堊白度(X4)、透明度(X5)、堊白粒率(X6)、粒長(X7)、長寬比(X8)、堿消值(X9)、直鏈淀粉含量(X10)、膠稠度(X11)和蛋白質(zhì)含量(X12)共12個品質(zhì)性狀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理、主成分分析及聚類分析。

表1 13個粳稻品種(系)稻米品質(zhì)性狀

Table 1 Grain quality traits of 13Japonicarice varieties(lines)

2 結(jié)果與分析

2.1 稻米品質(zhì)描述性統(tǒng)計分析

從表1可知，12個品質(zhì)性狀中，堊白度變異系數(shù)最大(63.5%)，堿消值變異系數(shù)最小(0.8%)，12個品質(zhì)性狀的變異系數(shù)由大到小依次為堊白度﹥透明度﹥堊白粒率﹥直鏈淀粉含量﹥長寬比﹥膠稠度﹥粒長﹥整精米率﹥蛋白質(zhì)含量﹥精米率﹥糙米率﹥堿消值。其中，膠稠度、粒長、整精米率、蛋白質(zhì)含量、精米率、糙米率、堿消值的變異系數(shù)較小，表明這些性狀在品種(系)間差異較??；而堊白度、透明度、堊白粒率、直鏈淀粉含量、長寬比的變異系數(shù)較大，表明品種(系)間這些性狀存在較大差異。根據(jù)GBT 17891—1999優(yōu)質(zhì)稻谷質(zhì)量指標，13個品種(系)在糙米率、整精米率、堊白粒率、堊白度和膠稠度方面表現(xiàn)較好，優(yōu)質(zhì)達標率均≥76.9%，在直鏈淀粉含量方面表現(xiàn)一般，優(yōu)質(zhì)達標率為38.5%。

參試的13個粳稻品種(系)中，‘S66’‘南粳46’‘蘇香粳100’‘松香粳1018’‘松早香2號’‘松早香1號’‘松41-5’和‘松38-2-2’這8個品種(系)的直鏈淀粉含量變幅在7.9%—10.6%，明顯低于其他品種(系)，且透明度為2—3級，高于其他品種(系)，屬于軟米類型。但這8個品種(系)的膠稠度表現(xiàn)出兩級分化的現(xiàn)象，‘S66’‘松早香1號’和‘松早香2號’這3個品種(系)的膠稠度變幅為55—61mm，在參試品種(系)中處于較低水平，其他5個品種(系)的膠稠度變幅在74—82mm，在參試品種(系)中處于較高水平。

2.2 稻米品質(zhì)性狀間相關(guān)分析

從表2可見，稻米各品質(zhì)性狀之間存在著較為復雜的相關(guān)關(guān)系。糙米率與整精米率呈顯著正相關(guān)，與精米率和膠稠度呈極顯著正相關(guān)，與直鏈淀粉含量呈顯著負相關(guān)，說明在提高糙米率的同時，精米率和整精米率也會有所提高，并且米飯也變得更軟、更黏。整精米率與精米率呈顯著正相關(guān)，與粒長和長寬比呈極顯著負相關(guān)，說明選擇長粒型水稻類型，其精米率和整精米率將會受到一定影響。精米率與堊白度呈顯著負相關(guān)，與膠稠度呈極顯著正相關(guān)。堊白度與透明度和堊白粒率分別呈顯著和極顯著正相關(guān)，與堿消值呈極顯著負相關(guān)。透明度與堊白粒率呈極顯著正相關(guān)，與直鏈淀粉含量呈極顯著負相關(guān)。堊白粒率與直鏈淀粉含量呈顯著負相關(guān)，說明改良稻米堊白性狀有利于精米率提高，但會使直鏈淀粉含量有所下降。粒長與長寬比呈極顯著正相關(guān)。

表2 13個粳稻品種(系)稻米品質(zhì)性狀間相關(guān)矩陣

*和**分別表示達到5%和1%的顯著水平

2.3 稻米品質(zhì)性狀主成分分析

主成分分析是描述隱藏在一組被測變量中無法直接測量到的隱性變量，是綜合處理多因素問題的有效方法。根據(jù)提取特征值大于1的原則，共分離出4個主成分，累計貢獻率達91.069%。第一主成分貢獻率為32.888%，第二主成分貢獻率為30.559%，第三主成分貢獻率為17.176%，第四主成分貢獻率為10.445%，說明這4個主成分可以有效地代表稻米品質(zhì)的12個性狀(表3)。

表3 稻米品質(zhì)性狀主成分分析

第一主成分(Y1)中，糙米率、精米率、膠稠度和整精米率有較大載荷，符號為正，說明第一主成分主要反映稻米加工品質(zhì)和膠稠度的狀況，得分越高，糙米率、精米率、整精米率和膠稠度越高，因此把第一主成分命名為“加工與膠稠度聯(lián)合因子”。第二主成分(Y2)中，堊白粒率、堊白度和透明度有較大載荷，符號為負，說明第二主成分主要反映稻米堊白狀況，得分越高，稻米堊白度、堊白粒率越低，透明度等級越高，因此把第二主成分命名為“堊白因子”。第三主成分(Y3)中，粒長和長寬比有較大載荷，符號為正，說明第三主成分主要反映稻米籽粒形態(tài)特征，得分越高，籽粒越細長，因此把第三主成分命名為“粒型因子”。第四主成分(Y4)中，蛋白質(zhì)含量有較大載荷，符號為正，說明第四主成分主要反映稻米蛋白質(zhì)含量情況，得分越高，蛋白質(zhì)含量越高，因此把第四主成分命名為“蛋白因子”。

根據(jù)表3特征向量系數(shù)，可得各主成分得分公式。

Y1=0.453X1+0.388X2+0.438X3-0.240X4+0.096X5-0.016X6-0.150X7-0.188X8+0.208X9-0.301X10+0.416X11-0.145X12

(1)

Y2=0.079X1-0.030X2+0.126X3-0.418X4-0.398X5-0.442X6+0.341X7+0.341X8+0.325X9+0.343X10+0.056X11+0.084X12

(2)

Y3=0.227X1-0.407X2+0.246X3+0.143X4+0.279X5+0.114X6+0.475X7+0.469X8-0.194X9-0.207X10+0.127X11-0.262X12

(3)

Y4=0.083X1+0.037X2+0.038X3+0.057X4+0.362X5+0.121X6+0.118X7+0.149X8+0.437X9-0.195X10-0.217X11+0.727X12

(4)

從表4可知，‘蘇香粳100’‘南粳46’ 和‘松香粳1018’3個品種(系)的第一主成分得分較高，稻米加工品質(zhì)和膠稠度較好?！魏?18’的第二主成分得分較高，其外觀品質(zhì)較好?！魏?18’的第三主成分得分較高，其粒型較為細長?！?1-5’‘S66’和‘松早香1號’的第四主成分得分較高，其蛋白質(zhì)含量較高。

表4 各品種(系)主成分得分

圖1 13個粳稻品種聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 13 Japonica rice varieties(lines)

2.4 基于主成分得分的13個粳稻品種(系)聚類分析

根據(jù)表4中各品種(系)主成分得分，采用平方歐式距離和平均聯(lián)結(jié)(組間)系統(tǒng)聚類法對13個粳稻品種(系)進行聚類分析，結(jié)果如圖1所示。取距離10為閾值，13個粳稻品種(系)可聚為5類。第Ⅰ類包括‘南粳46’‘松香粳1018’‘松38-2-2’‘蘇香粳100’‘S66’和‘松41-5’，第Ⅱ類包括‘秀水121’‘秀水114’‘秀水134’和‘松66’，第Ⅲ類為‘松早香2號’，第Ⅳ類為‘松早香1號’，第Ⅴ類為‘嘉禾218’。結(jié)合GBT 17891—1999優(yōu)質(zhì)稻谷質(zhì)量指標，對各類品種(系)的品質(zhì)性狀進行分析。從表5可知，加工品質(zhì)方面，在糙米率上5種類型均達二級優(yōu)質(zhì)稻米標準以上，其中第Ⅰ類、第Ⅱ類、第Ⅴ類達一級標準，但在整精米率上，除第Ⅰ類、第Ⅱ類達一級標準外，其余類型均未達標。外觀品質(zhì)方面，在堊白粒率上各類型均達優(yōu)質(zhì)稻米標準，其中第Ⅴ類達一級標準，第Ⅰ類、第Ⅱ類達二級標準；在堊白度上，第Ⅰ類、第Ⅱ類、第Ⅴ類達二級標準，其余未達標。蒸煮食味品質(zhì)方面，在膠稠度上除第Ⅳ類未達標外，其余均達優(yōu)質(zhì)稻米標準，其中第Ⅰ類達二級標準；在直鏈淀粉含量上僅第Ⅱ類、第Ⅴ類達標，其余均未達標。

表5 不同類別稻米品質(zhì)性狀

Table 5 Grain quality traits of different groups

3 討論

牛付安等[6]曾對上海市16個粳稻品種的8個品質(zhì)性狀進行研究，認為上海市粳稻稻米堊白性狀總體表現(xiàn)較差。本研究中，上海市松江區(qū)13個粳稻品種(系)在糙米率、整精米率、堊白度、堊白粒率和膠稠度方面表現(xiàn)較好，表明該區(qū)加大了優(yōu)良加工品質(zhì)和外觀品質(zhì)粳稻品種(系)的引進與篩選力度。此外，上海市松江區(qū)13個粳稻品種(系)稻米品質(zhì)性狀存在較大差異，尤其在堊白度、透明度、堊白粒率方面，其變異系數(shù)均≥39.2%，仍有較大提升空間。因此，堊白度、透明度、堊白粒率仍是松江區(qū)粳稻稻米品質(zhì)改良的重要方向，與許明等[7]對江蘇省粳稻稻米品質(zhì)分析結(jié)果一致。

稻米品質(zhì)是較為復雜的綜合性狀，受遺傳和環(huán)境因素影響[8-9]，并且稻米品質(zhì)性狀間存在難以調(diào)和的遺傳相關(guān)。本研究中，12個稻米品質(zhì)性狀間也存在著錯綜復雜的相關(guān)性。主成分分析從12個品質(zhì)性狀中分離出4個主成分因子，累計貢獻率達91.069%，可以較好地代表12個稻米品質(zhì)性狀，從而降低稻米品質(zhì)分析的復雜程度。第一主成分和第二主成分的貢獻率占63.447%，其中，第一主成分中糙米率、精米率、膠稠度和整精米率有較強相關(guān)性，且可以同時向好，第二主成分中堊白度、堊白粒率和透明度有較強相關(guān)性，且可以同時向好。因此，稻米品質(zhì)改良中，注重對糙米率和堊白度的選擇，同時協(xié)調(diào)與直鏈淀粉含量的關(guān)系，可以提高育種效率。

通過聚類分析將13個粳稻品種(系)聚成了5類，其中第Ⅰ類和第Ⅱ類包含了76.9%的品種(系)，表明絕大多數(shù)品種(系)具有較為相近的遺傳背景，與前人研究結(jié)果一致[10-12]，反映出遺傳基礎(chǔ)狹窄可能是限制稻米品質(zhì)改良難以取得突破性進展的重要因素之一。因此，今后上海市松江區(qū)稻米品質(zhì)改良工作應加強優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源的引進、挖掘和利用。