新春系列不同小麥品種品質(zhì)性狀的分析與評(píng)價(jià)

雷建峰，蘇麗麗，赫云建，周桂玲，代培紅

（1新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2烏魯木齊米東區(qū)三道壩鎮(zhèn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展服務(wù)中心，烏魯木齊 831404）

0 引言

小麥(TriticumaestivumL.)是世界上最重要的糧食作物之一，在中國(guó)是第三大糧食作物[1]。近幾年，中國(guó)小麥生產(chǎn)基本達(dá)到供需平衡，但是隨著人民生活水平的日益提高、小麥?zhǔn)諆?chǔ)企業(yè)、食品工業(yè)、國(guó)內(nèi)外貿(mào)易的迅速發(fā)展，對(duì)小麥品質(zhì)的要求越來(lái)越高[2-3]。2017年全國(guó)農(nóng)業(yè)工作會(huì)議部署：關(guān)于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，切實(shí)做到穩(wěn)定糧食生產(chǎn)，鞏固提升糧食產(chǎn)能。這就要求對(duì)現(xiàn)有的栽培小麥品種進(jìn)行合理規(guī)劃，篩選出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)且適宜當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的小麥主栽品種。

‘新春6號(hào)’于1993年通過(guò)新疆維吾爾自治區(qū)品種審定委員會(huì)審定，在新疆推廣種植已達(dá)22年之久[4]。目前，由于該品種出現(xiàn)了黑胚率高、面筋含量低、面粉質(zhì)量不高，無(wú)法制作高檔食品、綜合品質(zhì)性狀表現(xiàn)差的問(wèn)題，導(dǎo)致出現(xiàn)農(nóng)民交售小麥困難的局面。為此，篩選出適宜在新疆種植生長(zhǎng)且綜合品質(zhì)性狀能夠更換‘新春6號(hào)’的小麥品種具有現(xiàn)實(shí)意義。

小麥品質(zhì)是一個(gè)綜合復(fù)雜的概念，評(píng)價(jià)某個(gè)小麥品種品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo)多達(dá)36項(xiàng)[5]。小麥品質(zhì)受生長(zhǎng)地理位置和環(huán)境影響差異較大。同時(shí)，小麥品質(zhì)又受到基因型、環(huán)境的影響[6-7]。如果使用單一指標(biāo)判斷小麥的品質(zhì)極易受到外界環(huán)境及自身基因型差異影響而導(dǎo)致結(jié)果不可靠。越來(lái)越多的學(xué)者在研究小麥的品質(zhì)過(guò)程中采用了多指標(biāo)綜合評(píng)定的方法來(lái)判斷品種品質(zhì)的優(yōu)劣，如相關(guān)性分析[8-10]、主成分分析[11-13]、隸屬函數(shù)分析[14-16]、聚類(lèi)分析[17-19]等，為小麥品質(zhì)改良提供了重要的科學(xué)依據(jù)。孫彩玲等[5]利用主成分和聚類(lèi)分析法對(duì)山東省參加區(qū)試的297個(gè)小麥品種的品質(zhì)進(jìn)行了分析和綜合評(píng)價(jià)，統(tǒng)計(jì)分析顯示：面筋指數(shù)、沉淀值、面團(tuán)形成時(shí)間和面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間是影響山東小麥品質(zhì)的主要原因。雷家容等[20]對(duì)24份綿陽(yáng)系列小麥品種的品質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性和聚類(lèi)分析，將供試材料按照品質(zhì)性狀分為3大類(lèi)，綜合評(píng)價(jià)出優(yōu)良性狀的小麥品種。要燕杰等[21]利用相關(guān)性分析和隸屬函數(shù)分析法對(duì)96份不同小麥品種的性狀組成進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。雖然小麥的品質(zhì)是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，但是合理的評(píng)價(jià)體系可以準(zhǔn)確的鑒定小麥品質(zhì)的優(yōu)劣。

本研究以9份新春系列的小麥品種為試驗(yàn)材料，利用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析方法，研究粗蛋白質(zhì)、濕面筋、面粉出粉率、降落數(shù)值、面團(tuán)形成時(shí)間、面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等14個(gè)品質(zhì)性狀指標(biāo)，并基于各測(cè)定指標(biāo)與品質(zhì)的關(guān)系，建立可靠的小麥品質(zhì)評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型，為新疆春小麥品種的更換、選育及大規(guī)模的推廣提供理論依據(jù)和方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試小麥品種（表1）及抽樣資料、樣品信息均由巴州種子管理站提供，參試品種共計(jì)9個(gè)：‘新春6號(hào)’（對(duì)照）、‘新春26號(hào)’、‘新春29號(hào)’、‘新春31號(hào)’、‘新春35號(hào)’、‘新春37號(hào)’、‘新春38號(hào)’、‘新春39號(hào)’、‘新春41號(hào)’。試驗(yàn)地均采用隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)3個(gè)重復(fù)，試驗(yàn)區(qū)四周設(shè)有保護(hù)行，大田管理按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)高產(chǎn)小麥管理技術(shù)進(jìn)行，機(jī)械收獲晾曬后儲(chǔ)藏作為品質(zhì)測(cè)試材料。

表1 供試小麥品種

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

粗蛋白質(zhì)（干基）：按照國(guó)標(biāo)GB/T 5511—2008測(cè)定；籽粒水分：按照國(guó)標(biāo)GB/T 5497—1985測(cè)定；濕面筋：按照國(guó)標(biāo)GB/T 5506.2—2008測(cè)定；面粉出粉率：按照AACC 26-20方法測(cè)定；降落數(shù)值：按照國(guó)標(biāo)GB/T 10361—2008測(cè)定；吸水量、面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、弱化度：按照國(guó)標(biāo)GB/T 14614—2006測(cè)定；最大拉伸阻力Rm、恒定變形拉伸阻力R50、延伸性E、能量（面積）、Rm/E比值：按照國(guó)標(biāo)GB/T 14615—2006測(cè)定。以上測(cè)定項(xiàng)目均委托農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（烏魯木齊）測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

數(shù)據(jù)整理與分析采用Microsoft Excel 2013軟件，計(jì)算各品質(zhì)性狀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)；采用DPS v7.05軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類(lèi)分析。相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算參照文獻(xiàn)[22]。

品質(zhì)優(yōu)劣系數(shù)(QC)的計(jì)算見(jiàn)公式(1)，不同小麥品種各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值[u(Xj)]的計(jì)算見(jiàn)公式(2)，各綜合指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wj的計(jì)算見(jiàn)公式(3)，各小麥品種的綜合品質(zhì)評(píng)價(jià)(D)的計(jì)算見(jiàn)公式(4)。

式中，Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)；Xmin表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；Xmax表示第j個(gè)綜合指標(biāo)的最大值。Wj表示第j個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的重要程度即權(quán)重；Pj為各小麥品種第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。D值為各小麥品種由綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)所得的品質(zhì)優(yōu)劣綜合評(píng)價(jià)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同小麥品種各單項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣系數(shù)及相關(guān)性分析

根據(jù)公式(1)計(jì)算各測(cè)試指標(biāo)相對(duì)值即品質(zhì)優(yōu)劣系數(shù)(QC)。由表2可知，不同小麥品種單項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)的QC值不同，QC＞1的各項(xiàng)指標(biāo)均較對(duì)照‘新春6號(hào)’有所增加，QC＜1的各項(xiàng)指標(biāo)均較對(duì)照‘新春6號(hào)’有所下降，但不同小麥品種單項(xiàng)指標(biāo)的變化幅度不盡相同。因此，用不同單項(xiàng)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)不同品種小麥的品質(zhì)，其結(jié)果均不相同，也很難真實(shí)的評(píng)價(jià)品質(zhì)的優(yōu)劣。

表2 各小麥品種單項(xiàng)指標(biāo)的品質(zhì)優(yōu)劣系數(shù)

通過(guò)分析各測(cè)定指標(biāo)間的相關(guān)性，可以揭示指標(biāo)間是否存在依存關(guān)系[23]。本研究從各單項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣（表3）可知，濕面筋與Rm/E比值呈顯著負(fù)相關(guān)；面粉出粉率與弱化度呈顯著負(fù)相關(guān)；面團(tuán)形成時(shí)間與面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間呈極顯著正相關(guān)，與弱化度呈顯著負(fù)相關(guān)；面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間與弱化度呈極顯著負(fù)相關(guān)；弱化度與最大拉伸阻力呈顯著負(fù)相關(guān)；最大拉伸阻力與恒定變形拉伸阻力、能量（面積）、Rm/E比值呈極顯著正相關(guān)；恒定變形拉伸阻力與能量（面積）、Rm/E比值呈極顯著正相關(guān)；能量（面積）與Rm/E比值呈極顯著正相關(guān)。

表3 各小麥品種單項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

分析結(jié)果顯示，各測(cè)定指標(biāo)間均存在或大或小的相關(guān)性，從而導(dǎo)致它們所提供的信息發(fā)生部分重疊。同時(shí)各單項(xiàng)指標(biāo)在評(píng)價(jià)小麥品質(zhì)優(yōu)劣的體系中所起的作用也不相同，表明評(píng)價(jià)小麥品質(zhì)優(yōu)劣是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，直接利用各單項(xiàng)指標(biāo)不能準(zhǔn)確、客觀地進(jìn)行小麥品質(zhì)鑒定。為了彌補(bǔ)單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)小麥品質(zhì)優(yōu)劣的不足，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行分析。

2.2 主成分分析

主成分分析可將原來(lái)眾多具有一定相關(guān)性的單個(gè)指標(biāo)組合成一組新的相互獨(dú)立的主成分單元，在損失較少原有信息的前提下，通過(guò)降維的方法濃縮數(shù)據(jù)和簡(jiǎn)化指標(biāo)，揭示變量間的關(guān)系[24]。對(duì)14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定值進(jìn)行主成分分析，由表4可知，前5個(gè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)CI1-CI5的貢獻(xiàn)率分別為43.23%、25.61%、12.52%、7.63%和5.47%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)94.46%，其余可忽略不計(jì)。這樣就可以將原來(lái)14個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為5個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，并代表了原始指標(biāo)攜帶的絕大部分信息。

表4 各綜合指標(biāo)的系數(shù)及貢獻(xiàn)率

2.3 品種綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 隸屬函數(shù)分析 根據(jù)公式(2)計(jì)算每一品種（系）各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值u(Xj)。由表5可以看出，對(duì)于同一綜合指標(biāo)如CI1而言，‘新春37號(hào)’的u(X1)最大，為1.000，表明此品種在CI1表現(xiàn)為品質(zhì)最優(yōu)，而‘新春29號(hào)’的u(X1)最小，為0.000，表明此品種在這一綜合指標(biāo)上表現(xiàn)為品質(zhì)最差。

2.3.2 權(quán)重確定 根據(jù)各綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率的大小，可用公式(3)計(jì)算其權(quán)重。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，5個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為：0.458、0.271、0.132、0.081和0.058（表5）。

表5 各品種的綜合指標(biāo)值、權(quán)重、D值及綜合評(píng)價(jià)

2.3.3 綜合評(píng)價(jià) 采用公式(4)計(jì)算不同品種小麥的綜合品質(zhì)得分，并根據(jù)D值大小對(duì)其品質(zhì)優(yōu)劣評(píng)價(jià)得分進(jìn)行排序。由表5可知，‘新春35號(hào)’D值最小，表明在參試的9個(gè)新春系列的不同品種小麥中其品質(zhì)最差；‘新春37號(hào)’D值最大，表明其品質(zhì)最優(yōu)。D值變化范圍在0.074～0.694之間，均值為0.487，變異系數(shù)為0.932。采用最長(zhǎng)距離法對(duì)D值進(jìn)行聚類(lèi)分析（圖1），可將新春系列9個(gè)不同品種的小麥劃分為Ⅲ類(lèi)：‘新春35號(hào)’為第Ⅰ類(lèi)，屬于品質(zhì)一般類(lèi)型；‘新春29號(hào)’、‘新春26號(hào)’、‘新春39號(hào)’、‘新春31號(hào)’為第Ⅱ類(lèi)，屬于品質(zhì)良好類(lèi)型；‘新春6號(hào)’、‘新春38號(hào)’、‘新春41號(hào)’和‘新春37號(hào)’為第Ⅲ類(lèi)，屬于品質(zhì)優(yōu)類(lèi)型。

圖1 小麥9個(gè)品種聚類(lèi)樹(shù)狀圖

3 討論與結(jié)論

新疆麥區(qū)是中國(guó)優(yōu)質(zhì)小麥的主要供應(yīng)基地之一。該地區(qū)選育的春小麥‘新春6號(hào)’一直是當(dāng)?shù)爻Ｄ甏竺娣e推廣種植的小麥品種，對(duì)整個(gè)新疆地區(qū)的小麥生產(chǎn)、產(chǎn)量水平的提高做出了巨大貢獻(xiàn)。近年來(lái)，該品種出現(xiàn)了品質(zhì)性狀表現(xiàn)差的問(wèn)題，導(dǎo)致了市場(chǎng)價(jià)格走低的局面，嚴(yán)重打擊了農(nóng)民對(duì)小麥種植的積極性。因此，迫切需要育種家發(fā)展和培育優(yōu)質(zhì)小麥來(lái)滿足市場(chǎng)需求。

本研究主要針對(duì)新春系列的9份春小麥的品質(zhì)性狀包括粗蛋白質(zhì)、籽粒水分、濕面筋、面粉出粉率、降落數(shù)值、吸水量、面團(tuán)形成時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、弱化度、最大拉伸阻力Rm、恒定變形拉伸阻力R50、延伸性E、能量（面積）、Rm/E比值進(jìn)行評(píng)價(jià)。已有多項(xiàng)研究結(jié)果表明：小麥品質(zhì)是一個(gè)綜合性狀，不同品種的小麥品質(zhì)也不相同[3,19]。傳統(tǒng)的小麥品質(zhì)評(píng)價(jià)只是單個(gè)性狀的逐一比較，在國(guó)家小麥品種（系）審定規(guī)范中，雖然小麥品質(zhì)以蛋白質(zhì)含量，濕面筋含量，面團(tuán)穩(wěn)定時(shí)間等作為強(qiáng)、中、弱筋的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，但仍然是單個(gè)指標(biāo)的比較[5]。因此，孤立地使用某一單項(xiàng)指標(biāo)很難反映小麥的品質(zhì)特性；同時(shí)，在眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性，導(dǎo)致它們所提供的信息發(fā)生部分重疊，而且每一指標(biāo)的重要程度也不相同。因此，有必要運(yùn)用多元分析方法對(duì)小麥的品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立可靠的評(píng)價(jià)體系。

相關(guān)性分析可以揭示指標(biāo)間是否存在依存關(guān)系及變化趨勢(shì)，本研究利用相關(guān)性分析能比較客觀地反映各測(cè)定指標(biāo)間的變化趨勢(shì)；主成分分析可將原來(lái)具有相關(guān)性的多項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成新的個(gè)數(shù)較少且彼此獨(dú)立的綜合指標(biāo)[25-26]，通過(guò)對(duì)小麥品質(zhì)性狀的主成分分析，在小麥品質(zhì)性狀育種過(guò)程中可以優(yōu)先考慮影響品質(zhì)主要性狀作為品質(zhì)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)指標(biāo)，針對(duì)性對(duì)小麥品質(zhì)進(jìn)行高效選擇和有效改良。目前，對(duì)于小麥品質(zhì)性狀的主成分進(jìn)行了大量研究，然而對(duì)于不同小麥品系的品質(zhì)性狀的主成分分析，獲得的主成分因子也不盡相同。本研究利用主成分分析法將小麥品質(zhì)相關(guān)的14個(gè)測(cè)定指標(biāo)轉(zhuǎn)化成5個(gè)相互的獨(dú)立的綜合指標(biāo)，進(jìn)一步通過(guò)隸屬函數(shù)分析法結(jié)合權(quán)重系數(shù)法計(jì)算出各綜合指標(biāo)得分值（D值）。從而得出不同小麥品種的品質(zhì)綜合得分。通過(guò)聚類(lèi)分析，將9個(gè)小麥品種劃分為3大類(lèi)型：品質(zhì)一般、品質(zhì)良好、品質(zhì)優(yōu)，其中‘新春37號(hào)’、‘新春41號(hào)’品質(zhì)綜合表現(xiàn)較為突出（品質(zhì)優(yōu)類(lèi)型）。

通過(guò)對(duì)9份新春系列小麥品種的主要品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類(lèi)分析，基本反映了9分小麥品質(zhì)性狀的全面信息。本研究結(jié)果為新疆優(yōu)質(zhì)春小麥品中的選育、推廣及種質(zhì)資源的鑒定與篩選提供理論依據(jù)。