美國薄殼山核桃實生種源果實品質(zhì)主成分分析與綜合評價

左繼林 孫穎 吳妹杰 周文才 龔春 黃文印 徐林初

摘要：通過對美國薄殼山核桃20株實生優(yōu)株的冠幅產(chǎn)量、單果質(zhì)量、種仁含油率、脂肪酸組分含量等性狀的測定與統(tǒng)計學(xué)分析，綜合評價各優(yōu)株品質(zhì)。結(jié)果表明，不同優(yōu)株間性狀差異明顯，主成分分析17個性狀指標(biāo)綜合成5個主成分因子可代表薄殼山核桃品質(zhì)82.17%的信息量，種仁含油率、油酸含量、單果質(zhì)量、出仁率、仁質(zhì)量與果徑在綜合評價指標(biāo)中起決定作用;利用主成分與聚類分析將優(yōu)株分為4類，Ⅰ類是殼較厚、種仁含油率與油酸含量均高的豐城2號等5個優(yōu)株;Ⅱ類是冠幅產(chǎn)量、含油率最高的豐城3號等8個優(yōu)株;Ⅲ類是果大、殼薄、出仁率、蛋白質(zhì)含量高的豐城6號等5個優(yōu)株;Ⅳ類是豐城24號、豐城26號。品質(zhì)綜合性狀較好的是豐城4號、豐城6號、豐城36號、豐城2號、豐城5號。

關(guān)鍵詞：美國薄殼山核桃;果實品質(zhì);主成分;綜合評價

中圖分類號： S664.103文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0235-05

收稿日期：2018-05-02

基金項目：國家林業(yè)局科技支撐項目（編號：GR-2016-02）。

作者簡介：左繼林（1969—），男，江西永新人，博士，研究員，研究方向為經(jīng)濟(jì)林研究與開發(fā)。E-mail：zjl691011@163.com。

美國薄殼山核桃[Carya illinoinensis （Wangenh.） K. Koch]原產(chǎn)于北美，為胡桃科山核桃屬植物，是世界著名的干果之一，它具有殼薄易取仁、適合機(jī)械加工、適合在低緯度地區(qū)種植且可用作園林綠化樹的優(yōu)點(diǎn)[1-4]。我國引種美國薄殼山核桃已有100多年的歷史，在我國亞熱帶東部、長江流域和云南省等地結(jié)實較好，但至今仍未能形成商品化生產(chǎn)栽培，且適宜在各區(qū)域推廣的美國薄殼山核桃良種資源相對較少[5-6]。目前，薄殼山核桃的良種評價與選優(yōu)工作開展的不多，20世紀(jì)80年代由浙江省科學(xué)院聯(lián)合浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院對我國14個省份的薄殼山核桃資源進(jìn)行初查，提出堅果殼薄、種仁飽滿、出仁率在40%以上、含油量在70%以上為優(yōu)良單株的選育標(biāo)準(zhǔn)，初選收集了70個優(yōu)良單株[7];方亮等調(diào)查了南京市樹齡為30年左右的18個薄殼山核桃品種果實的果質(zhì)量、果形指數(shù)、出仁率、種仁含油率，采用綜合評分法初步篩選2個優(yōu)良品種，5個次選優(yōu)良品種[8];2012年，耿國民等分析了9個美國山核桃單株的果實形態(tài)特征[9];朱燦燦等在測定不同品種薄殼山核桃在南京地區(qū)種植的果實形態(tài)與品質(zhì)后[10]，指出反映果實外部形態(tài)和品質(zhì)特征的12個指標(biāo)可歸納為果實大小、果仁出油率與果仁碳水化合物3個主成分。

然而，以上研究均未涉及株產(chǎn)量，而美國薄殼山核桃果實品質(zhì)應(yīng)包含外在和內(nèi)在品質(zhì)，因此，筆者從江西省林業(yè)科學(xué)院早期種植基地各薄殼山核桃實生種源優(yōu)株的產(chǎn)量、果實形態(tài)指標(biāo)與油脂脂肪酸組成成分這些內(nèi)在品質(zhì)指標(biāo)著手，參照酸棗[11]、柑橘[12-13]、葡萄[14]、獼猴桃[15]等種質(zhì)資源研究過程中采用的主成分分析法，篩選美國薄殼山核桃品質(zhì)貢獻(xiàn)的關(guān)鍵指標(biāo)，并用隸數(shù)函數(shù)值法綜合評價，以期為江西省美國薄殼山核桃良種的選育、品種改良及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1?試驗區(qū)概況

1999年春季，江西省林業(yè)科學(xué)院從美國德克薩斯州引種美國薄殼山核桃種子，繁育大量苗木銷往全省各地，試驗地位于江西省豐城市鑫植源農(nóng)業(yè)生態(tài)科技開發(fā)有限公司湖塘鄉(xiāng)燕山村富硒梨基地（地理位置為28°16′40″N、115°33′42″E）。該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)區(qū)，年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 459 mm，無霜期300 d以上;土壤為由沙質(zhì)板巖發(fā)育而成的紅壤，土層厚度在80 cm以上，pH值為4.8，海拔為220～300 m，坡度為3°～40°，林分已進(jìn)入掛果期。

2?材料與方法

2.1?試驗材料

美國薄殼山核桃實生苗由江西省林業(yè)科學(xué)院繁育，種子來源于美國德克薩斯州。于2010年3月營造試驗林，造林密度為4.0 m×5.0 m，管理較為粗放。

2.2?調(diào)查與測定方法

2017年3—12月，筆者所在項目組對20株美國薄殼山核桃實生種源的生長狀況展開調(diào)查，每個實生種源選定優(yōu)株掛牌調(diào)查其冠幅面積、胸徑，并在果皮微開裂時人工采摘鮮果。

2.2.1?果實及種子的形態(tài)測定

對完整的果實進(jìn)行脫蒲處理后，對果長和果徑進(jìn)行測量，剝殼后測其果殼厚度并稱量果仁質(zhì)量，計算出籽率;然后剝殼、取仁，測量果殼厚度并稱量果仁質(zhì)量，計算出仁率。完成果實形態(tài)測定后，將種仁在55 ℃烘箱中烘干，粉碎，供分析測試用。

2.2.2?脂肪酸與蛋白質(zhì)營養(yǎng)成分的測定方法

脂肪酸組成的測定采用GC-2010 Plus氣相色譜儀，色譜條件：色譜柱為CD-2560（100 m×0.25 mm×0.2 μm），檢測器為氫火焰檢測器（FID），檢測器溫度為260 ℃，進(jìn)樣口溫度為250 ℃，載氣流速為1.0 mL/min，分流比為30 ∶1，程序升溫（140 ℃保留5 min，4 ℃/min升溫至240 ℃保留30 min），進(jìn)樣量為1 mL。采用凱氏定氮法測定蛋白質(zhì)含量。

2.3?數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 12.0與DPS 6.05數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行主成分結(jié)果分析，其他所有統(tǒng)計分析均采用Excel。品質(zhì)綜合評價采用隸屬函數(shù)法綜合評價各核桃種質(zhì)資源的性狀優(yōu)劣，先采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)公式進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換，再將各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值取平均值進(jìn)行比較。與品質(zhì)呈正相關(guān)的指標(biāo)采用式（1）進(jìn)行計算，而呈負(fù)相關(guān)的指標(biāo)采用式（2）進(jìn)行計算，平均隸屬函數(shù)值越大表示品質(zhì)越佳。

X（u）=X-XminXmax-Xmin;（1）

X（u） =1-X-XminXmax-Xmin。（2）

式中：X（u）表示隸屬函數(shù)值;X表示某一指標(biāo)的測定值;Xmin表示某一指標(biāo)測定值中的最小值;Xmax表示某一指標(biāo)測定值中的最大值。

3?結(jié)果與分析

3.1?各參試種源果實的品質(zhì)分析

由表1可以看出20個美國薄殼山核桃優(yōu)株的經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)變異狀況。各優(yōu)株間冠幅產(chǎn)量的變異強(qiáng)度最大，豐城4號的冠幅產(chǎn)量是豐城3號的33倍，各種源的變異系數(shù)達(dá)90.65%;其次是順-11-二十烷烯酸、亞油酸含量及仁質(zhì)量的變異程度較大，分別達(dá)到34.08%、33.33%與32.36%。棕櫚酸含量的變異系數(shù)較小，低于10%，遺傳變異較小，相對穩(wěn)定;果高、出仁率、蛋白質(zhì)含量等性狀均達(dá)到中等強(qiáng)度的變異程度，其中果殼厚度最薄的為豐城8號、豐城6號、豐城4號，分別僅有0.75、0.83、0.83 mm;變異強(qiáng)度大小依次是冠幅產(chǎn)量>順-11-二十烷烯酸含量>亞油酸含量>仁質(zhì)量>α-亞麻酸含量>果殼厚>單果質(zhì)量>果徑>硬脂酸含量>果形指數(shù)>花生酸>蛋白質(zhì)含量>出仁率>油酸含量>果高>含油率>棕櫚酸含量。研究結(jié)果為美國薄殼山核桃實生種源中的良種篩選建立了基礎(chǔ)。

3.2?主成分分析

采用主成分分析法，對美國薄殼山核桃20個實生種源單株進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性狀指標(biāo)的綜合評價。由表2可知，前5個主成分PC1～PC5的貢獻(xiàn)率分別為35.05%、18.88%、13.99%、7.59%、6.66%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到82.17%，已能反映17個品質(zhì)指標(biāo)的大部分信息，說明PC1、PC2、PC3、PC4、PC5 5個主成分起的作用最為重要。

由表3可知，通過前5個主成分反映的各指標(biāo)在各種源測定中所起的作用有差異。根據(jù)17個指標(biāo)的相關(guān)矩陣及表3的主成分分析因子載荷矩陣可知，PC1主要由變量含油率、油酸含量、單果質(zhì)量、棕櫚酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量決定，它們作用在第1因子的荷載分別為0.924、0.895、0.516、-0.609、-0.873、-0.813、-0.532;含油率、油酸含量、單果質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系，棕櫚酸、亞油酸、花生酸、硬脂酸含量則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。PC2主要由出仁率、仁質(zhì)量、果徑、單果質(zhì)量及果殼厚度決定，作用載荷分別為0.776、0.739、0.715、0.544和-0.558;PC3主要由果高、果形指數(shù)決定，其作用載荷分別為0.672、0.680;PC4主要由冠幅產(chǎn)量決定，作用載荷為-0.500;PC5主要由蛋白質(zhì)含量決定，作用載荷為0.724。由于第1主成分貢獻(xiàn)率與第2主成分貢獻(xiàn)率分別達(dá)到35.05%和18.88%，因此，種仁含油率、油酸含量、單果質(zhì)量、出仁率、仁質(zhì)量、果徑在美國山核桃的17個性狀指標(biāo)中占據(jù)正向決定地位，而棕櫚酸、亞油酸、花生酸、硬脂酸含量與果殼厚度為負(fù)向決定因子。

3.3?隸屬函數(shù)值法綜合評價

本研究在綜合評價時，冠幅產(chǎn)量、單果質(zhì)量、果高、果徑、仁質(zhì)量、出仁率、蛋白質(zhì)含量、含油率、油酸含量、順-11-二十烷烯酸含量、α-亞麻酸含量采用式（1）計算，果形指數(shù)、棕櫚酸含量、硬脂酸含量、亞油酸含量采用式（2）計算。

各項指標(biāo)的隸屬度值和綜合評價結(jié)果見表4，可以得出各種源品質(zhì)優(yōu)劣排序為豐城4號>豐城6號>豐城36號>豐城2號>豐城5號>豐城34號>豐城8號>豐城10號>豐城12號>豐城27號>豐城9號>豐城16號>豐城29號>豐城11號>豐城39號>豐城38號>豐城28號>豐城3號>豐城24號>豐城26號。

3.4?聚類分析

利用美國薄殼山核桃冠幅產(chǎn)量、單果質(zhì)量、果高、果徑、殼厚、仁質(zhì)量、出仁率、蛋白質(zhì)、含油率、棕櫚酸含量、硬脂酸含量、油酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、順-11-二十烷烯酸含量、α-亞麻酸含量16個性狀指標(biāo)對美國薄殼山核桃20個種質(zhì)資源采用離差平方和法進(jìn)行聚類。圖1的聚類結(jié)果顯示，20個美國薄殼山核桃綜合性狀距離分布范圍為0.231 0～1.792，其中豐城27號與豐城29號的綜合性狀距離最小，只有0.231 0，豐城2號與豐城11號種源之間的綜合性狀距離最大，達(dá)到0.578 2;在距離1.022 7以內(nèi)，20個核桃種源被分成4個大類。

Ⅰ類豐城2號、豐城10號、豐城11號、豐城38號、豐城39號，其特點(diǎn)是殼較厚、種仁含油率與油酸含量均較高，果形指數(shù)較大，平均果殼厚度為（1.47±0.436） mm，平均油酸含量為（74.04±3.866）%，平均種仁含油率為（71.063±3.195）%，平均果形指數(shù)為1.70±0.261。

Ⅱ類豐城3號、豐城4號、豐城5號、豐城8號、豐城9號、豐城27號、豐城28號與豐城29號，其特點(diǎn)是冠幅產(chǎn)量、含油率最高，出仁率也較高;平均冠幅產(chǎn)量為（0.175±0.211） kg/株，平均種仁含油率為（70.903±3.145）%，平均出仁率為（40.19±5.795）%。

Ⅲ類豐城6號、豐城12號、 豐城16號、豐城34號、豐城36號，特點(diǎn)是單果與果仁質(zhì)量大，果高、果徑最大，果殼薄，出仁率、蛋白質(zhì)含量最高，平均單果質(zhì)量為（4.63±1.109） g、平均果高為（31.918±2.623） mm，平均果徑為（22.282±6.146） mm，平均果殼厚度為（1.132±0.262） mm，平均仁質(zhì)量為（1.993±0.446） g，平均出仁率為（43.397±4.942）%，平均蛋白質(zhì)含量為（10.081±0.588）%。

Ⅳ類豐城24號、豐城26號，特點(diǎn)是棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、花生酸、順-11-二十烷烯酸、α-亞麻酸含量最高，棕櫚酸含量為（5.654±0.021）%，硬脂酸含量為（2.387±0.504）%，亞油酸含量為（39.627±6.679）%，花生酸含量為（0.12±0.005）%，順-11-二十烷烯酸含量為（2.024±0.137）%，α- 亞麻酸含量為（0.009±0.001）%。

4?討論與結(jié)論

變異系數(shù)能反映各種質(zhì)資源性狀在進(jìn)化保守性或遺傳可塑性方面的不同，可為其品種或變異類型選育提供依據(jù)。本研究中，20株美國薄殼山核桃實生種源間各品質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)存在很大的差異，最低的僅為8.04%（棕櫚酸含量），最高的達(dá)到90.65%（冠幅產(chǎn)量），其次是順-11-二十烷烯酸、亞油酸含量及仁質(zhì)量的變異系數(shù)較大，為32.36%～34.08%;果高、出仁率、蛋白質(zhì)含量等性狀的變異程度中等，變異系數(shù)為11.70%～14.74%。以上反映出來源于美國德克薩斯州的薄殼山核桃種質(zhì)間存在較大的遺傳差異，從而為優(yōu)異種質(zhì)資源發(fā)掘提供了豐富的選擇空間。

主成分分析法可在最大程度保留原有信息的前提下，利用數(shù)目較少且相互獨(dú)立的關(guān)鍵性指標(biāo)去代表數(shù)目較多且彼此相關(guān)的指標(biāo)[16-17]。由于薄殼山核桃果實品質(zhì)測定指標(biāo)間的單位量綱不同，為消除不同指標(biāo)因單位不同及正負(fù)指標(biāo)對分析結(jié)果的影響，本研究同阮敏等一樣對原始數(shù)據(jù)采用隸屬函數(shù)法進(jìn)行轉(zhuǎn)化，消除了不同評價指標(biāo)對評價體系的正負(fù)影響，未采用因子分析法評價品質(zhì)優(yōu)劣[18-19]。

本研究中樣品中前5個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到82.17%，且各指標(biāo)是綜合的、相互獨(dú)立的指標(biāo)，基本反映了全部數(shù)據(jù)信息;利用加權(quán)思想對前5個主成分進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而獲取其綜合分值，能客觀反映不同優(yōu)株果實品質(zhì)的優(yōu)劣;測定的美國薄殼山核桃的17個性狀指標(biāo)中，種仁含油率、油酸含量、單果質(zhì)量、出仁率、仁質(zhì)量、果徑、棕櫚酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量與果殼厚度可作為其種質(zhì)品質(zhì)綜合性狀評價的主要指標(biāo)。

利用隸數(shù)函數(shù)值，得出的美國薄殼山核桃各實生種質(zhì)優(yōu)劣順序依次是豐城4號、豐城6號、豐城36號、豐城2號、豐城5號、豐城34號、豐城8號、豐城10號、豐城12號、豐城27號、豐城9號、豐城16號、豐城29號、豐城11號、豐城39號、豐城38號、豐城28號、豐城3號、豐城24號、豐城26號，其中豐城4號、豐城5號、豐城27號的種仁含油率、出籽率與亞油酸含量均達(dá)到了良種的考核指標(biāo)[7]。

本研究中通過聚類分析把美國山核桃實生種源分4類。Ⅰ類種質(zhì)資源的果殼較厚，但種仁含油率與油酸含量高，可作為雜交育種材料;Ⅱ類種質(zhì)資源的特點(diǎn)是冠幅產(chǎn)量與種仁含油率高，出仁率較高，適于規(guī)?；茝V;Ⅲ類種質(zhì)資源的單果質(zhì)量大，果高、果徑大，果殼薄，仁質(zhì)量、出仁率、蛋白質(zhì)含量高，適于高品質(zhì)的核桃良種篩選;Ⅳ類特點(diǎn)是棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、花生酸、順-11-二十烷烯酸、α-亞麻酸含量均較高，可作為功能型核桃開發(fā)。

目前，在美國山核桃的選育中，主要對其出仁率、堅果質(zhì)量、含油率等主要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行加權(quán)計分后的綜合得分選優(yōu)[20]。謝孝福等以堅果薄、種仁出仁率與含油率高及味香甜作為選優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)[7]，朱燦燦等認(rèn)為，果實大小、種仁含油率粗脂肪、可溶性糖、蛋白質(zhì)含量等是評價的關(guān)鍵指標(biāo)[10]，本研究結(jié)果與謝孝福等的研究結(jié)果[7，10]一致，但蛋白質(zhì)含量指標(biāo)未作為關(guān)鍵評價指標(biāo)，而增加了單株冠幅產(chǎn)量、果徑大小及油酸為正向指標(biāo)，亞油酸、棕櫚酸、花生酸、硬脂酸含量為負(fù)向評價指標(biāo)，應(yīng)該更全面與可靠，至于粗脂肪、可溶性糖與蛋白質(zhì)含量可否作為篩選良種的品質(zhì)指標(biāo)，有待進(jìn)一步的研究。

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