杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的主成分分析與聚類分析研究

武曉紅，陳雪峰，景晨娟，趙習(xí)平

(河北省農(nóng)林科學(xué)院 石家莊果樹研究所，河北 石家莊 050061)

杏原產(chǎn)我國，現(xiàn)已成為世界性水果之一[1]。隨著人們對杏品質(zhì)的要求越來越高，品種改良成為果樹科研工作者的一項重要任務(wù)。雜交育種由于其技術(shù)簡便易行，成效顯著，育種者可以有目的地選擇親本，再從雜種后代中選育目標新品種，是最常用的育種手段[2]。我國從20世紀80年代才開始進行有目的的杏雜交育種工作，起步較晚，但已成功選育出一系列新品種[3-6]。雜交后代果實的評價是雜交育種中的一項重要步驟，傳統(tǒng)分類方法主要依據(jù)個別明顯特征進行人為分類，存在著考察性狀少、主觀因素多、忽略數(shù)量性狀等局限性，分類結(jié)果不盡合理[7]。影響果實品質(zhì)的因子很多，而且各因子之間存在密切的相關(guān)性和相對獨立性，給綜合評價帶來了一定的難度[8]。因此，研究如何科學(xué)并快速地評價杏雜交后代果實，對杏雜交育種工作有著重要意義。

主成分分析和聚類分析可以簡單地處理大量冗長的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)精度較高的定量分析。因此，已有學(xué)者在蘋果[9，10]、梨[8]、桃[11]、甜瓜[12]、柑橘[13，14]、核桃[15]、榛子[16]、橄欖[17]等樹種上對果實品質(zhì)進行了分析與評價。在杏上，王佳等對48 個不同杏品種的10 個數(shù)量性狀進行主成分分析和聚類分析，表明前4個指標的累積方差貢獻率可達到87%以上，可以反映10個相關(guān)性狀的主要信息，并根據(jù)綜合主成分值對48個杏品種進行排名，排名結(jié)果與實際的表現(xiàn)一致；根據(jù)計算出的主成分值，48個杏品種可聚為四大類[18]。郭寶林等[19]應(yīng)用主成分分析法，對仁用杏9個品種的主要經(jīng)濟性狀進行分析，認為主成分分析法對仁用杏主要經(jīng)濟性狀綜合評選比優(yōu)良性狀打分評優(yōu)科學(xué)、簡便，為仁用杏優(yōu)良品種選擇提供了理論依據(jù)。樊丁宇等[20]對58個新疆杏品種的10個果實品質(zhì)指標進行了主成分分析和聚類分析，最終將10個主要品質(zhì)指標簡化為6個具有代表性的指標。前人均是對杏種質(zhì)資源果實品質(zhì)進行評價與分析，運用聚類分析和主成分分析方法評價杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的研究還未見報道。本研究以金太陽×串枝紅正反交后代實生苗為試材，對其果實的主要經(jīng)濟性狀進行調(diào)查，通過主成分分析和聚類分析對雜交果實的經(jīng)濟性狀進行綜合評價，旨在為評價杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀提供科學(xué)依據(jù)，為杏雜交育種研究提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為金太陽×串枝紅正反交后代實生苗，于2011年雜交，2012年播種，2013年定植于河北省農(nóng)林科學(xué)院石家莊果樹研究所杏雜種實生苗圃，株行距1 m×1 m×2 m，2015年雜交實生苗全部結(jié)果，2016年對200株雜交實生苗果實進行經(jīng)濟性狀調(diào)查。于雜交實生苗果實不同成熟期進行采樣，分別從每株樹體東、南、西、北4個方位中部外圍果枝采摘均勻一致的果實10個，將樣品果帶回實驗室后立即進行各個指標的測定。

1.2 試驗方法

測定指標有果實發(fā)育期、單果重、可溶性固形物、去皮硬度、果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果實內(nèi)質(zhì)評價、韌性和香氣。按照《杏種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[12]執(zhí)行。果實發(fā)育期：盛花期至果實成熟期所經(jīng)歷的天數(shù)(d)；單果重：電子天平測定10個果實的重量(g)，求平均值；去皮硬度:用FHT-05型果實硬度計測量10個果實的硬度(kgf)，求平均值；可溶性固形物含量：用ATAGO牌PAL-1型數(shù)顯糖度儀測量10個果實的可溶性固形物含量(%)，求平均值；果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果肉內(nèi)質(zhì)評價、韌性和香氣等質(zhì)量性狀，根據(jù)育種目標進行賦值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文評價杏雜交果實經(jīng)濟性狀所涉及到的果實發(fā)育期為負指標，取其倒數(shù)將其轉(zhuǎn)化為正向指標。以果實發(fā)育期、單果重、去皮硬度、可溶性固形物、韌性、果實外觀、果肉內(nèi)質(zhì)評價、香氣、果皮底色和果實蓋色構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣，當各變量的單位不相同，或者單位相同但變量間的數(shù)值大小相差較大時，需將各原始變量做標準化處理。應(yīng)用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19 統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)標準化處理與性狀間的相關(guān)性分析

對200株金太陽×串枝紅正反交后代實生苗果實的發(fā)育期、單果重、可溶性固形物含量、去皮硬度、果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果肉內(nèi)質(zhì)評價、韌性和香氣10個經(jīng)濟性狀進行測定，將各性狀的測定值進行標準化處理，并進行相關(guān)性分析。

從表1可以看出，果實發(fā)育期與單果重呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與去皮硬度、韌性和果肉內(nèi)質(zhì)評價呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與果實外觀和果皮底色呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；單果重與可溶性固形物、韌性和果肉內(nèi)質(zhì)評價呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與果皮底色呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與去皮硬度呈顯著負相關(guān)(P<0.05)；去皮硬度與可溶性固形物含量呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)，與韌性呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與果肉內(nèi)質(zhì)評價呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；可溶性固形物與韌性和果皮底色呈極顯著負相關(guān)(P<0.01)；韌性與果肉內(nèi)質(zhì)評價呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；果實外觀與果皮底色和果實蓋色呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。由此可見，測定的10個性狀之間存在不同程度的相關(guān)性，存在信息重疊現(xiàn)象，這就需要對測定的性狀進行簡化和歸類，提高杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價的效率。

表1 杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀間的相關(guān)系數(shù)

注：**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)；*表示相關(guān)性顯著 (P<0.05)。

2.2 杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價因子的主成分分析

經(jīng)主成分分析得到10個主成分的特征向量、特征值、貢獻率和累積貢獻率(表2)。按照累積貢獻率≥85%的標準選取主成分，前7個主成分的累積貢獻率可達到88.305%，故選取前7個主成分的特征值，使它們能夠較全面地反映出原來10個性狀評價指標的主要信息。第1主成分中果實發(fā)育期、去皮硬度、韌性和果肉內(nèi)質(zhì)評價的特征向量較大，單果重特征向量的絕對值較大，第1主成分綜合了大量的杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀信息，反映了果實的發(fā)育期、果實大小、果實硬度和果實肉質(zhì)。第2主成分中果實外觀和果實蓋色的特征向量較大，反映了果實的外觀和彩色。第3主成分中單果重和果皮底色的特征向量較大，可溶性固形物特征向量的絕對值較大，反映了果實大小、果實色澤以及果實的風味。第4主成分中香氣的特征向量較大，反映了果實的香氣。第5主成分中果實發(fā)育期、果皮底色的特征向量較大。第6主成分中果肉內(nèi)質(zhì)評價的特征向量較大。第7主成分中單果重、可溶性固形物的特征向量較大。以上7個主成分涵蓋了原有的10個果實經(jīng)濟性狀的全部信息，可用來作為評價杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的綜合指標。

單果重同時出現(xiàn)在第1、第3和第7主成分中，果實發(fā)育期同時出現(xiàn)在第1和第5主成分中，可溶性固形物同時出現(xiàn)在第3和第7主成分中，果皮底色同時出現(xiàn)在第3和第5主成分中，果肉內(nèi)質(zhì)評價同時出現(xiàn)在第1和第6主成分中，去皮硬度和韌性只出現(xiàn)在第1主成分中，果實外觀和果實蓋色只出現(xiàn)在第2主成分中，香氣只出現(xiàn)在第4主成分中。主成分分析結(jié)果表明，單果重、果實發(fā)育期、可溶性固形物、果皮底色和果肉內(nèi)質(zhì)是決定杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的主要成分。

表2 10個主成分的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率

2.3 杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價因子的聚類分析

對表2中前7個主成分的各個特征向量，采用組間聯(lián)接平均歐氏距離法進行系統(tǒng)聚類。從圖1可以看出，在距離為15時可劃分為6個類別。果實外觀和果實蓋色聚為一類；單果重與果皮底色聚為一類；去皮硬度與韌性首先聚為一類，之后與果實發(fā)育期聚為一類；果肉內(nèi)質(zhì)、可溶性固形物和香氣各為一類。聚為一類的果實品質(zhì)指標之間具有密切的相關(guān)性，可選用1個因子代表其他因子，予以簡化，單獨為一類的品質(zhì)因子具有相對的獨立性[10]。綜合主成分分析和聚類分析結(jié)果，可將杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價指標簡化為：果實外觀、單果重、果實發(fā)育期、果肉內(nèi)質(zhì)評價、可溶性固形物、香氣。

圖1 10個果實經(jīng)濟性狀評價因子的聚類分析圖

2.4 基于果實經(jīng)濟性狀的杏雜交后代聚類分析

通過10個果實經(jīng)濟性狀，對200株杏雜交后代采用組間聯(lián)接平均歐氏距離法進行系統(tǒng)聚類。從圖2可以看出，在距離為5時，可以劃分為9類。第1類僅1個單株；第2類有2個單株；第3類有2個單株；第4類有2個單株，第5類有1個單株；第6類有3個單株；第7類有5個單株；第8類有8個單株；第9類有176個單株。

對杏雜交后代9個不同類群的果實經(jīng)濟性狀進行分析(表3)，第1類群的香氣值為0.9，大于整個群體的平均值0.51，以及其他幾個類群的，定義第1類群為果實香氣濃郁類；第2類的韌性值僅為0.5，低于整個群體及其他幾個類群的平均值，將第2類群定義為果肉韌性極低類；第3類群的果實外觀、果肉內(nèi)質(zhì)和果實蓋色值分別達到了0.97、0.96和0.90，大于其他幾個類群的平均值以及整體類群的平均值，且果實發(fā)育期最短，為62.5 d，定義第3類群為綜合性狀優(yōu)良類；第4類群的單果重、果實外觀及果實蓋色均低于其他幾個類群，分別為43.69、0.50和0.20，將第4類群定義為小果外觀差類；第5類群的去皮硬度和果肉韌性最大，分別達到了8.79 kgf和0.93，將第5類群定義為高硬度高韌性類；第6類群的單果重最大，達到了104.08 g，將第6類群定義為大果類；第7類群的果皮底色值較大，為0.88，將第7類群定義為果皮底色優(yōu)良類；第8類群的果實可溶性固形物含量最高，為17.27%，將第8類群定義為高可溶性固形物類；第9類群體數(shù)量最大，10個果實經(jīng)濟性狀值在9個類群中均居中，將第9類群定義為平庸類。

從表3還可以看出，10個果實經(jīng)濟性狀指標的變異系數(shù)大小為：單果重>果實發(fā)育期>可溶性固形物>去皮硬度>果實蓋色>韌性>果皮底色>果實外觀>果肉內(nèi)質(zhì)評價>香氣，杏雜交后代果實的平均單果重變異程度最大，為13.47%，果實發(fā)育期次之，為7.64%，說明這兩個性狀在杏雜交后代果實中呈現(xiàn)廣泛分離，遺傳多樣性較豐富；而香味性狀變異系數(shù)最小，僅為0.04%，表現(xiàn)很集中，說明香味具有較為穩(wěn)定的遺傳性。

圖2 基于果實經(jīng)濟性狀的200株杏雜交后代聚類分析圖

3 討論與小結(jié)

評價因子的確定是正確進行品質(zhì)評價的基礎(chǔ)，在現(xiàn)有果品的評價中，評價因子的選擇決定著評價的效果[16]。本研究中用于評價杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的10個因子之間既存在相關(guān)性又有相對的獨立性，科學(xué)地選擇評價因子才能對果實的經(jīng)濟性狀做出正確的評價。主成分分析是將多個性狀指標經(jīng)正交變換轉(zhuǎn)化為較少個數(shù)的綜合指標，而這些綜合指標彼此既互不相關(guān)， 又能綜合反映原來多個性狀指標的主要信息，并使得前幾個主成分體現(xiàn)原來變量絕大部分的變異，對供試材料貢獻率最大[22，23]。本研究對評價杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀的10個指標進行主成分分析，提煉歸納為7個主成分，保留了原始變量88.305%的信息量。聚類分析法反映了品質(zhì)或因子之間相關(guān)或偏相關(guān)程度的大小[12]，本研究將7個主成分各特征向量進行聚類分析，在距離為15時可劃分為6類。結(jié)合主成分分析和聚類分析，可將杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價指標簡化為6個，即果實外觀、單果重、果實發(fā)育期、果肉內(nèi)質(zhì)評價、可溶性固形物、香氣，簡化了杏雜交后代果實經(jīng)濟性狀評價指標。

表3 杏雜交后代不同類群的果實經(jīng)濟性狀表現(xiàn)

聚類分析是應(yīng)用多元統(tǒng)計分析原理研究分類問題的一種數(shù)學(xué)方法，其考察性狀既可以是質(zhì)量性狀，也可以是數(shù)量性狀，并可同時對大量性狀進行綜合考察[21]。本研究對串枝紅×金太陽正反交200株后代進行了聚類分析，在距離為5時，可以劃分為9類，對9個類群的果實經(jīng)濟性狀進行分析發(fā)現(xiàn)，第1類群為果實香氣濃郁類；第2類群為果肉韌性極低類；第3類群為綜合性狀優(yōu)良類；第4類群為小果外觀差類；第5類群為高硬度高韌性類；第6類群為大果類；第7類群為果皮底色優(yōu)良類；第8類群為高可溶性固形物類；第9類群為平庸類?？梢?，通過對果實經(jīng)濟性狀的聚類分析，可以將數(shù)量龐大的杏雜交后代群體進行類別劃分，為育種決策提供有益的參考信息。