基于因子分析和聚類分析的花椰菜種質(zhì)礦質(zhì)元素含量評價①

袁建民 何 璐 木萬福 麻繼仙 孔維喜 楊曉瓊 許智萍

(云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所/元謀干熱河谷植物園 云南元謀651300)

花椰菜（Brassica oleraceavar．botrytisL．）是世界上最重要的蔬菜作物之一，也是人類從飲食中獲取植物化學類生物活性物質(zhì)的重要來源［1-2］?；ㄒ酥饕曰ㄇ驗槭秤闷鞴?，富含維生素、纖維素、礦物質(zhì)及胡蘿卜素類、黃酮類、酚酸類等生物活性物質(zhì)［3］，營養(yǎng)豐富，味道鮮美，具有防癌抗癌［4-5］的作用，深受消費者的青睞，被譽為“天賜的良藥”“窮人的醫(yī)生”。據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織（FAO）數(shù)據(jù)統(tǒng)計，全球花椰菜栽培面積正逐年增加。近年來，隨著中國蔬菜總產(chǎn)量的持續(xù)遞增，消費者對品質(zhì)關(guān)注度日益增強，蔬菜品質(zhì)正成為其市場競爭力的核心因子。然而，目前蔬菜品質(zhì)評價大多仍局限于外觀品質(zhì)［6］、風味品質(zhì)［7-8］、酸甜度［9］、維生素［10-11］等，而對內(nèi)部品質(zhì)如礦質(zhì)元素含量等關(guān)注不夠。由于人體必需的礦質(zhì)元素大多從果蔬中獲得，因此礦質(zhì)元素含量對蔬菜品質(zhì)的形成具有同等重要作用和不可替代性［12-13］。

據(jù)統(tǒng)計，目前全球約有2/3的人口存在缺乏一種或多種礦質(zhì)元素，而在發(fā)展中國家此問題更嚴重［14］。現(xiàn)代醫(yī)學研究表明，人類中絕大多數(shù)疾病都與缺素息息相關(guān)，因為缺素會引起人體平衡失調(diào)，易導致一些罕見疾?。?5-17］?；ㄒ酥懈缓琄、Ca、Na、Mg、P、Fe、Mn、B、Cu、Zn 等元素，是礦質(zhì)元素獲取的重要來源。前人研究表明，不同類型花椰菜（紫花菜、松花菜、緊花菜）中K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn、Ca、Mg 等礦質(zhì)元素含量十分豐富，且不同品種間含量差異較為明顯［18］。但已有研究涉及材料較單一，測定指標有限，評價不夠系統(tǒng)。目前，聚類分析和因子分析已被廣泛應用于多樣品多指標的品質(zhì)分析中，但其應用于花椰菜礦質(zhì)元素含量分析的研究較少。

云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所開展花椰菜新品種選育研究10 多年，收集保存花椰菜種質(zhì)400余份，育成多個花椰菜新品種。為更深入地了解花椰菜的礦質(zhì)元素含量及組成，探討不同類型花椰菜花球中礦質(zhì)元素含量分布規(guī)律，本研究以8份不同類型具有代表性的花椰菜種質(zhì)花球為試材，采用水平分析、相關(guān)性分析、聚類分析和因子分析等統(tǒng)計方法研究花椰菜花球中19 種礦質(zhì)元素含量特征，以期為花椰菜的營養(yǎng)質(zhì)量評價、新品種選育及開發(fā)利用等提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 花椰菜種質(zhì)資源

試驗于2018 年6～12 月在云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所進行。供試材料為8 個花椰菜，包括緊花菜、松花菜和青花菜（表1）。6月10日穴盤播種育苗，7 月下旬定植于塑料大棚，常規(guī)栽培管理。11月7日田間采集成熟期花球樣品，完全隨機設計，每個重復5 株，3 次重復，采后70℃烘干，粉碎機研磨，過1 mm 篩后待上機測試。所有材料均由云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所蔬菜研究中心提供。

表1 供試8份花椰菜種質(zhì)材料

1.1.2 試驗地概況

研究區(qū)屬于云南省元謀縣干熱河谷區(qū)域，地處滇中高原北部，東經(jīng)101.35°～102.06°，北緯25.23°～26.06°，平均海拔1 350 m。年平均溫度21.5℃，無霜期305～331 d，年降雨量611.3 mm，降雨集中在5～9月，其他月份少雨或無雨。光熱資源充足，年平均日照時數(shù)7.3 h/d。土壤為砂壤土，土壤容重1.44 g/cm3，田間持水量為19.42%，pH 6.4，土壤有機碳0.61%，全氮0.05%，堿解氮39 mg/kg，全磷0.188 mg/kg，有效磷30.38 mg/kg，全鉀7.44 mg/kg，速效鉀129 mg/kg。

1.1.3 儀器和試劑

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（PQ-9000，德國耶拿）；微波消解儀（Milestone Ethos up，意大利邁爾斯通）；超純水儀（UPH-IV-20T，中國優(yōu)普）；1/10 000分析天平（ATX224，日本島津）；行星式球磨機（QM3SP，南京馳順）；電熱恒溫鼓風干燥箱（GZX-9140MBE，上海博訊）；移液槍（RAININ，美國瑞寧）；濃硝酸（優(yōu)級純，重慶川東化工）；30%過氧化氫（優(yōu)級純，天津市化學試劑）；超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）；氬氣純度（≥99.999%）；多元素混合標準溶液及K、Ca、Na、P、S、Se、Si、Mo 等單個元素標準溶液，購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。試驗用水均為超純水，所有玻璃器皿均用10%硝酸浸泡24 h，然后用超純水清洗，烘干備用。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法

參考袁建民等［19］的方法。稱取干樣0.200 0 g，置于微波消解罐中，加入6 mL 濃硝酸和2 mL 雙氧水，按照設定好的消解程序進行微波消解（表2）；消解完畢后，趕酸3～4 h，以少量2% HNO3洗滌2～3次，消解液定容至50 mL，用0.45 μm 濾膜過濾，上機測試。利用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測定各礦質(zhì)元素含量。

表2 微波消解程序

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件對不同花椰菜種質(zhì)花球中各元素含量的數(shù)據(jù)進行初步整理，利用SPSS V 20.0 軟件對各礦質(zhì)元素含量進行水平分析、Pearson 相關(guān)性分析、因子分析和聚類分析。因子分析是先將數(shù)據(jù)經(jīng)Z 分數(shù)標準化處理，然后進行KMO 和Bartlett 球形度檢驗，再采用主成分法提取公因子，采用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)，最后輸出結(jié)果；聚類分析主要采用系統(tǒng)聚類中的組間連接法，以歐氏距離為遺傳距離進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 礦質(zhì)元素含量的水平分析

8 份花椰菜種質(zhì)花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co、Se、Mo、Cd 共19 種礦質(zhì)元素分析檢測結(jié)果（表3）顯示，Se、Mo、Cd 元素均未檢出，故對剩余16 種元素進行基本描述性統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，所測的K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 種元素在不同種質(zhì)花球中的含量存在極顯著差異（p＜0.01）。

花球中各礦質(zhì)元素含量的最小值、最大值、平均值、標準偏差、標準誤差、變異系數(shù)見表4。結(jié)果表明，在所測得的16 種元素中，K 的含量最高，Pb的含量最低。K、P、Ca、Mg、S是花椰菜花球中的主要礦質(zhì)元素，其次是Fe、Mn、B、Zn、Na元素，Cu、Ni、Cr、Pd、Si、Co含量較低。

一般認為，變異系數(shù)（CV）≥100%為強變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV＜10%為弱變異。本研究中16 種礦質(zhì)元素含量的變異系數(shù)范圍為3.39%～70.39%，平均值為27.31%，屬中等變異強度。不同種質(zhì)中Si 的含量差異最大，變幅在0（C18315）～16.07 mg/kg（C18261），平均值為8.72 mg/kg，變異系數(shù)達70.39%，明顯高于其它礦質(zhì)元素。

2.2 礦質(zhì)元素含量間的相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果（表5）表明，花球中礦質(zhì)元素含量間存在復雜的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系。16 個元素中，K 與Pb 之間含量存在顯著正相關(guān)；P與S呈顯著正相關(guān)，P與Zn呈極顯著正相關(guān)；Ca與Mg、S之間呈顯著正相關(guān)，Ca與B呈極顯著正相關(guān)；Mg 與B 之間呈顯著正相關(guān)；S 與B 之間呈極顯著正相關(guān)；Fe 與B 之間呈顯著負相關(guān)，F(xiàn)e 與Na呈極顯著正相關(guān)，F(xiàn)e 與Si 呈顯著正相關(guān)；Zn 與Si呈顯著負相關(guān)；其他元素之間相關(guān)性不顯著。其中，Ca與B之間的相關(guān)系數(shù)最高（0.930），說明花球中Ca和B含量之間高度相關(guān)。

簡單相關(guān)性分析只是對有聯(lián)系的2個元素表面關(guān)系密切程度的衡量，為揭示多個礦質(zhì)元素之間內(nèi)在聯(lián)系則有必要利用多元統(tǒng)計分析。

2.3 礦質(zhì)元素含量的聚類分析

聚類分析是根據(jù)樣品間具有的相似性或差異性指標，進行親疏關(guān)系的類別劃分，目的在于使類間各樣品的同質(zhì)性最大化，而類與類間樣品的異質(zhì)性最大化。

表3 不同花椰菜種質(zhì)花球中19種礦質(zhì)元素含量平均值 單位：mg·kg-1 DW

表4 花椰菜花球中16種礦質(zhì)元素含量的描述性統(tǒng)計

以不同種質(zhì)為自變量，16 種礦質(zhì)元素含量為因變量，采用系統(tǒng)聚類中的組間連接法，以歐氏距離為遺傳距離，對8 份花椰菜種質(zhì)進行聚類分析，結(jié)果見圖1。

結(jié)果表明，在歐氏距離約為7.0時，16種礦質(zhì)元素可將8 份花椰菜種質(zhì)劃分為3 類。結(jié)合圖1 和表3 可知，第一類包括C18315、C18267、C18259、C18359、C18301共5份種質(zhì)，既有松花類型，也有緊花類型，主要表現(xiàn)為K、Na、Fe含量較高，可作為親本選育高K的品種；第二類只包括C18261，屬于松花類型，主要表現(xiàn)為Si 含量較高，而Ca、P、Mn、Zn、Na、Cr、Pb 含量較低，可作為親本選育高Si 的品種；第三類包括C18282 和2 號，均為青花菜，說明青花菜和通常的花椰菜（花球白色）礦質(zhì)元素含量之間存在較大的差異，其主要表現(xiàn)為Ca、S、B 含量較高，而Pb 含量較低，可以作為親本選育高Ca、S、B和低Pb的品種。

表5 花椰菜花球中礦質(zhì)元素含量的Pearson相關(guān)性分析

2.4 礦質(zhì)元素含量的因子分析

因子分析是實現(xiàn)降維的一種統(tǒng)計分析方法，可在許多變量中找出隱藏的具有代表性的因子，以較少的幾個因子反映原資料的大部分信息。本研究以不同種質(zhì)為自變量，16 種礦質(zhì)元素含量為因變量，采用主成分法提取公因子，采用最大方差法進行因子旋轉(zhuǎn)，對花椰菜不同種質(zhì)花球中16種礦質(zhì)元素含量進行因子分析（表6）。結(jié)果表明，前3 個公因子累積方差貢獻率為76.00%，說明這3個公因子基本可以反映全部指標的信息。

為了能更好地解釋變量，需要進行因子旋轉(zhuǎn)，使每個因子的載荷值盡量向0 和1 轉(zhuǎn)化。因子載荷值的絕對值越大，說明其貢獻越大，相關(guān)的密切程度越高。由表7可知，第一因子（F1）主要與Ca（載荷值0.88）、S（載荷值0.93）、B（載荷值0.87）顯著相關(guān)；第二因子（F2）主要與Mn（載荷值0.90）、Na（載荷值0.82）顯著相關(guān)；第三因子（F3）主要與Cr（載荷值0.82）顯著相關(guān)。以上6個因子載荷均為正值，為正向分布，說明因子得分越高，其相應的礦質(zhì)元素含量也就越高。另外，由于37.48%的方差貢獻率來自第1 主因子，20.66%的方差貢獻率來自第2 主因子，17.86%的方差貢獻率來自第3 主因子（表6），因此認為，Ca、S、B、Mn、Na 和Cr 元素為花椰菜花球中的特征性礦質(zhì)元素。

通過各因子的特征值和載荷值，計算出各種質(zhì)樣品的公因子得分、綜合得分及排名（表8）。結(jié)果表明，8種花椰菜種質(zhì)中因子F1得分最高的是C18282 和2 號，說明其Ca、S 和B 含量較高；因子F2得分最高的是C18301和C18359，說明其Mn和Na含量較高；因子F3 得分最高的是C18267，說明其Cr 含量較高。8 種花椰菜種質(zhì)的綜合排名依次為C18282＞2 號＞C18359＞C18267＞C18315＞C18259＞C18301＞C18261。可見，在相同的立地條件和管理水平下，花椰菜花球中礦質(zhì)元素含量具有明顯的種質(zhì)差異性，這為花椰菜的品種選育和平衡施肥提供了依據(jù)。

3 討論

蔬菜中礦質(zhì)元素含量和土壤養(yǎng)分含量密切相關(guān)，同時也受植物自身營養(yǎng)吸收、轉(zhuǎn)運、分配、積累等多種因素影響［20-21］。研究證實，同一種礦質(zhì)元素在不同類型、不同品種（品系）蔬菜中的含量差異較大［22］。如花椰菜中Ca和Mg含量為松花菜＞紫花菜＞緊花菜，K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn 含量為紫花菜＞松花菜＞緊花菜［18］；青花菜中自交系與雜交種Ca和Mg含量差異較大［20］，馬鈴薯栽培品種和地方品種間K、P、Na、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn 含量差異顯著［23］。另外，不同栽培條件下同一品種礦質(zhì)元素含量差異也較大。如番茄有機栽培與傳統(tǒng)栽培條件下Al、Cu、Fe、Mn、Zn等礦質(zhì)元素含量存在顯著差異［24］。元素含量的差異會影響生物學價值，深入研究不同種質(zhì)對元素組成的影響對于育種工作者來說至關(guān)重要［21］。為此，近年來許多研究者利用礦質(zhì)元素含量的差異開展農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地溯源及質(zhì)量鑒別等研究［25］。李平惠等［26］測定了來自依安縣和拜泉縣2 個地域54 份蕓豆樣品中31 種礦質(zhì)元素的含量，結(jié)果表明，不同地域間的蕓豆中25 種礦質(zhì)元素含量存在顯著差異。類似的研究還在辣椒［27］、大蔥［28］、洋蔥［29］等農(nóng)產(chǎn)品上開展。

表6 花椰菜花球中16種礦質(zhì)元素的因子分析

表7 旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣

表8 花椰菜種質(zhì)16種元素因子分析的綜合得分與排名

本研究中，不同類型花椰菜種質(zhì)花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 種元素均存在極顯著差異，變異系數(shù)為3.39%～70.39%?；ㄒ耍ò咨┑V質(zhì)元素平均含量為：K＞S＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Fe＞Zn＞B＞Mn＞Cr＞Cu＞Si＞Ni＞Co＞Pb；而青花菜礦質(zhì)元素平均含量為：K＞S＞P＞Ca＞Mg＞Na＞Zn＞B＞Fe＞Mn＞Cu＞Ni＞Cr＞Co＞Si＞Pb。本試 驗 中采集的花椰菜花球樣品均來自同一溫室大棚，立地條件、施肥水平、管理模式、采收時期等均一致，消除了環(huán)境因子的影響。因此，不同花椰菜花球中礦質(zhì)元素的差異來源于類型及品種（品系）。

分析蔬菜果實中養(yǎng)分的相關(guān)性，有助于了解元素間可能存在的內(nèi)在聯(lián)系，為均衡施肥、平衡施肥、實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參考。研究認為，果實中礦質(zhì)元素含量間既存在相互促進作用，也存在拮抗作用，還存在補充替換關(guān)系［30］。本試驗結(jié)果表明，花椰菜花球中礦質(zhì)元素含量間存在復雜的正相關(guān)或負相關(guān)關(guān)系，如Ca 和B 極顯著正相關(guān)，這和Fallahi 等［31］的研究結(jié)果相一致；而Fe與B 間呈顯著負相關(guān)，這與匡立學等［12］在葡萄果實中的研究結(jié)果不一致。這主要是由于果實中礦質(zhì)元素含量受自身遺傳特性及多種環(huán)境因子綜合影響。

花椰菜果實中元素間的相關(guān)性還有助于篩選優(yōu)良種質(zhì)。如本研究中選擇1 個Ca 含量高的種質(zhì)，其Mg、S、B含量也可能高；但是選擇1個K含量高的種質(zhì)，同時其Pb 含量也可能高。相關(guān)性分析僅僅說明了同一時間點兩元素間的簡單關(guān)系。本研究中青花菜的Ca 和S 含量明顯高于緊花菜和松花菜，表明青花菜是人類飲食中潛在的Ca 和S 元素重要來源。因此，種質(zhì)性狀的綜合評估至關(guān)重要，在今后育種工作中，不僅要致力于提高果實營養(yǎng)品質(zhì)，還應重視減少有害元素的存在［21］。

目前，因子分析和聚類分析已被廣泛應用于辣椒［32］、茄子［33］、蘋果［34］、杧果［35］、錐栗［36］等果蔬品質(zhì)分析中。因子分析可在眾多變量中找出潛在的具有代表性的共性因子，其前提是變量間需存在一定的相關(guān)性。本研究中花椰菜花球中礦質(zhì)元素間具有復雜的相關(guān)性，通過因子分析可將16 種礦質(zhì)元素指標進行簡化，最終篩選出Ca、S、B、Mn、Na和Cr元素作為評價花椰菜花球營養(yǎng)品質(zhì)的特征性礦質(zhì)元素。進一步分析得出，C18282、2號、C18359 和C18267 這些花椰菜種質(zhì)綜合得分排名靠前，具有潛在利用價值。

聚類分析是通過數(shù)據(jù)建模簡化數(shù)據(jù)的一種數(shù)學方法，其分類結(jié)果客觀、科學，主觀因素少，可同時對大量性狀進行綜合考察評價［37］。本研究利用系統(tǒng)聚類法將8 份花椰菜種質(zhì)分為3 類，第一類包含5 份種質(zhì)，主要表現(xiàn)為K 含量較高，可作為親本選育高K的品種；第二類只包含C18261，為松花類型，該類種質(zhì)Si 含量較高，可作為親本選育高Si 的品種；第三類包含C18282 和2 號，均為青花菜，該類種質(zhì)Ca、S、B 含量較高，而Pb 含量較低，可作為親本選育高Ca、S、B 和低Pb 的品種。因此，不同類別間存在明顯差異，表明此分類結(jié)果科學有效。聚類分析結(jié)果可為花椰菜種質(zhì)的不同用途提供數(shù)據(jù)參考。