基于主成分分析的釀酒葡萄雜交后代果實品質(zhì)評價

王小龍，史祥賓，冀曉昊，王寶亮，張藝燦，王海波*

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物種質(zhì)資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹礦質(zhì)營養(yǎng)與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100）

釀酒葡萄在種植地區(qū)的品質(zhì)表現(xiàn)是決定其商品價值的關(guān)鍵，可作為該品種適應(yīng)性評價及推廣的重要依據(jù)[1]。近年來，我國釀酒葡萄產(chǎn)區(qū)逐漸向東北和西北地區(qū)推進(jìn)，對現(xiàn)有釀酒葡萄品種的抗寒性和品質(zhì)提出了更高的要求。因此，本研究選擇具有優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)特性的‘美樂’作為父本，抗寒性較強的‘華葡1號’為母本進(jìn)行雜交，通過對其雜交后代果實品質(zhì)的綜合評價，篩選出優(yōu)質(zhì)、抗寒的釀酒葡萄新品種。葡萄酒的品質(zhì)是由釀酒原料決定的，釀酒葡萄果實外在品質(zhì)包括百粒質(zhì)量、皮果比、籽果比等，內(nèi)在品質(zhì)主要包括糖、酸、總酚、黃烷醇、花色苷、總黃酮、單寧等指標(biāo)。葡萄酒風(fēng)味與果實的糖酸比、酚類物質(zhì)、香氣物質(zhì)濃度直接相關(guān)[2]。糖酸組成決定葡萄果實的口感與風(fēng)味，直接影響葡萄酒的酒體結(jié)構(gòu)與感官品質(zhì)。酚類物質(zhì)是葡萄酒最重要的風(fēng)味物質(zhì)之一，包括總酚、黃烷醇、單寧、總黃酮、花色苷等物質(zhì)，影響葡萄酒的口感、顏色和生理活性功能[3]。由于不同品質(zhì)指標(biāo)之間既相互獨立，又存在著一定的相關(guān)性，因此亟需構(gòu)建科學(xué)的評價體系對釀酒葡萄綜合品質(zhì)進(jìn)行評價。目前，常用的果實品質(zhì)評價方法有方差分析[4]、感官評定[5]、主成分分析[6]、相關(guān)性分析[7]、聚類分析[8]等。其中，主成分分析能夠?qū)⒃瓉淼亩鄠€指標(biāo)轉(zhuǎn)化成數(shù)目較少的綜合指標(biāo)，用較少的指標(biāo)來反映原有的信息，在果實品質(zhì)分析中被大量應(yīng)用。研究通過方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析法綜合評價了不同雜交后代的優(yōu)劣性，以期為篩選抗寒優(yōu)質(zhì)的釀酒葡萄品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年9月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所溫泉基地進(jìn)行。試驗點地處北溫帶亞溫潤性氣候區(qū)，年平均氣溫8.7 ℃，年平均降水量600 mm，雨熱同季，無霜期175 d。以2017年定植‘貝達(dá)’砧木嫁接的釀酒葡萄‘華葡1號×美樂’雜交后代為研究對象，單干雙臂架型，株行距為2 m×2 m。共選擇12個雜交后代株系，編號：XC1，XC2，XC5，XC6，XC7，XC8，XC13，XC14，XC18，XC19，XC20，XC22。

1.2 測定指標(biāo)

于2020年9月20日成熟期取樣，每處理隨機選取30個果穗，從果實的上中下各部位隨機采集果粒720粒，用于測定粒質(zhì)量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH、可滴定酸、皮/籽總酚、花色苷、皮/籽總黃酮、皮/籽黃烷醇、皮/籽單寧?？扇苄怨绦挝锏臏y定采用手持測糖量計，可滴定酸的測定采用電位滴定儀，用pH計測定果汁pH值。皮果比、籽果比分別是果皮與果實質(zhì)量比和籽粒與果實質(zhì)量比，以30粒為1組，剝離果皮和種子并稱量，按照定義進(jìn)行計算。葡萄果皮和葡萄籽總酚、花色苷、總黃酮、黃烷醇、單寧物質(zhì)的提取和含量測定參照蘇鵬飛[9]方法，以上所有測定指標(biāo)均進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，并計算得出平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。運用SPSS 22.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同株系果實品質(zhì)的比較

由表1可知，12個株系的外觀指標(biāo)和內(nèi)在品質(zhì)均存在顯著差異。XC5百粒質(zhì)量最大，為239.30 g，顯著高于其它株系。XC19的皮果比為17.14，XC14和XC20的籽果比均為8.29，顯著高于其他株系。XC14和XC8可溶性固形物較高，分別為22.50%和21.90%，與其它株系呈顯著性差異。XC7的pH為4.28，顯著高于其他株系，XC14的pH最低為3.26。各株系的可滴定酸分布在0.24%～1.03%。有研究表明，葡萄果皮和種子的酚類物質(zhì)含量遠(yuǎn)超過果肉，且是葡萄酒中的酚類物質(zhì)主要來源[10]。酚類物質(zhì)最高含量在各株系中表現(xiàn)相似，XC2的皮總酚（28.31 mg/g）、皮黃烷醇（185.67 mg/g）、皮單寧（13.51 mg/g）均顯著高于其他株系。XC8的籽總酚（64.29 mg/g）、籽黃烷醇（836.63 mg/g）、籽總黃酮（53.58 mg/g）均顯著高于其他株系。XC1花色苷含量最高，為12.750 mg/g，XC2、XC7、XC14之間無顯著差異，其它株系之間均存在顯著差異。

2.2 不同株系果實品質(zhì)變異系數(shù)分析

變異系數(shù)是指不同個體的性狀受不同環(huán)境條件的影響而發(fā)生的變異程度，它能反映果實性狀變化的基本動態(tài)。由表2可知，12個葡萄株系果實品質(zhì)變異程度很大，變異系數(shù)在8.29%～89.62%。酚類物質(zhì)的變異系數(shù)普遍高于外觀品質(zhì)和糖酸品質(zhì)。其中，籽單寧的變異系數(shù)最大，為89.62%，皮單寧較大為69.94%；其次是皮黃烷醇的變異系數(shù)為63.67%，說明不同株系間這兩項指標(biāo)性狀變異大，有著豐富的遺傳多樣性。百粒質(zhì)量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH幾個指標(biāo)的變異系數(shù)較小，分別為19.49%、21.71%、21.25%、11.05%、8.29%，說明株系間這些品質(zhì)性狀差異小，遺傳較為穩(wěn)定。

表2 不同株系果實品質(zhì)變異系數(shù)Table 2 Variation coefficient of fruit quality in different lines

2.3 葡萄果實不同品質(zhì)相關(guān)性分析

通過以上分析可知，利用多個果實品質(zhì)指標(biāo)對不同株系果實品質(zhì)進(jìn)行評價難以選擇出最佳優(yōu)系，因此需要建立一個合理的評價體系來進(jìn)行統(tǒng)一評價。由表3可知，各品質(zhì)指標(biāo)間存在著一定的相關(guān)性，外在品質(zhì)和糖酸品質(zhì)與其他品質(zhì)間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。百粒質(zhì)量與可溶性固形物呈顯著負(fù)相關(guān)，與花色苷極顯著負(fù)相關(guān)。皮果比與皮總酚極顯著負(fù)相關(guān)。籽果比與籽總酚、籽總黃酮、籽單寧顯著負(fù)相關(guān)，與籽黃烷醇極顯著負(fù)相關(guān)。pH與可滴定酸呈顯著負(fù)相關(guān)。酚類物質(zhì)各成分間呈顯著或極顯著正相關(guān)。皮中的總酚與總黃酮顯著正相關(guān)。籽總酚與皮/籽黃烷醇、籽總黃酮、皮單寧顯著正相關(guān)，與皮總黃酮極顯著正相關(guān)。皮黃烷醇與皮/籽總黃酮顯著正相關(guān)，與皮單寧極顯著正相關(guān)。籽黃烷醇與籽總黃酮和籽單寧極顯著正相關(guān)?；ㄉ张c皮總黃酮顯著正相關(guān)。皮總黃酮與皮單寧、籽總黃酮和籽單寧均極顯著正相關(guān)。由此可見，雜交后代果實品質(zhì)之間呈現(xiàn)一定的相關(guān)關(guān)系，由此造成對果實品質(zhì)進(jìn)行評價時會產(chǎn)生信息重疊現(xiàn)象，因此可以采用主成分分析法對評價指標(biāo)進(jìn)行降維，進(jìn)一步評價果實品質(zhì)。

表3 葡萄果實不同品質(zhì)相關(guān)性Table 3 Correlation of different fruit qualities

2.4 葡萄果實品質(zhì)主成分分析

對12個株系的果實品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。如表4所示，以特征值＞1為標(biāo)準(zhǔn)，共提取了4個主成分。前4個主成分對綜合品質(zhì)的累積貢獻(xiàn)率已達(dá)到84.59%（＞80%），說明在變量不丟失的前提下，這4個主成分包含原始數(shù)據(jù)84.59%的信息，可以代表原來的15個品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行分析和評價。其中第1個主成分的代表指標(biāo)為籽總酚（0.83）、籽黃烷醇（0.81）和籽總黃酮（0.82），特征值為5.33，貢獻(xiàn)率為35.52%，是最重要的主成分，反映了葡萄籽粒中酚類含量。第2個主成分的代表指標(biāo)為皮總酚（0.89）、皮總黃酮（0.78）、花色苷（0.76）和百粒質(zhì)量（﹣0.77），特征值為3.99，貢獻(xiàn)率為26.57%，主要反映了果皮酚類含量和果實大小。第3個主成分的代表指標(biāo)為可溶性固形物（﹣0.63），特征值為1.80，貢獻(xiàn)率為12.02%。第4個主成分的代表指標(biāo)為pH（﹣0.59），特征值為1.57，貢獻(xiàn)率為10.48%。第3和4主成分主要反映了果實風(fēng)味。綜上所述，果實外觀品質(zhì)（百粒質(zhì)量）和內(nèi)在品質(zhì)（可溶性固形物、pH、皮/籽總酚、籽黃烷醇、皮/籽總黃酮、花色苷）是評價釀酒葡萄果實品質(zhì)的重要性狀指標(biāo)。將因子得分以方差貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到各株系果實品質(zhì)綜合得分（表5）。由此可見，XC8和XC2果實品質(zhì)在遼寧地區(qū)表現(xiàn)最佳。

表4 葡萄果實品質(zhì)主成分載荷矩陣和方差貢獻(xiàn)率Table 4 Principal component load matrix and variance contribution rate of fruit quality

表5 主成分因子得分及果實綜合品質(zhì)得分Table 5 Principal component factor score and fruit comprehensive quality score

3 討論與結(jié)論

釀酒葡萄中的糖和酸是決定葡萄品質(zhì)的重要因素，同時作為初生代謝物，也影響著葡萄的次生代謝活動[11]，其中糖是基礎(chǔ)，最終決定葡萄酒的酒度。XC14和XC8可溶性固形物含量較大，分別為22.50%和21.90%，均顯著高于其他株系。酚類物質(zhì)是葡萄次生代謝過程中產(chǎn)生的一類重要化合物，主要包括總酚、黃酮類、花色苷、黃烷醇、單寧等，在葡萄果皮、種子中大量存在[12]。酚類物質(zhì)與酒中的蛋白質(zhì)、多糖相互作用，參與葡萄酒的口感、骨架、結(jié)構(gòu)和色澤等品質(zhì)的形成[13]，對葡萄酒的風(fēng)味特征和品質(zhì)具有重要影響。12個株系中，葡萄籽中的酚類物質(zhì)普遍高于果皮，與張娟[3]和孫樹霖[14]得出的果皮中酚類物質(zhì)含量最高的結(jié)論不一致，可能是受遺傳特性及外界環(huán)境的共同影響所致[15]。本研究中，酚類物質(zhì)最高含量在各株系中表現(xiàn)相似，XC2的皮總酚和皮黃烷醇均顯著高于其他株系，XC8的籽總酚和籽黃烷醇均顯著高于其他株系?？傸S酮物質(zhì)在果皮和種子中含量較高，是葡萄酒品質(zhì)的關(guān)鍵因素[16]。XC2和XC8皮總黃酮間無顯著差異，但明顯高于其他株系，XC8的籽總黃酮均顯著高于其他株系。紅葡萄酒的顏色主要來源于果皮，其中的花色苷不僅提供葡萄酒的顏色，對葡萄酒的澄清度、穩(wěn)定性等有重要作用[17]。XC1花色苷含量最高為12.75 mg/g，XC2、XC7、XC14之間無顯著差異，其他株系之間均存在顯著差異。單寧的含量決定葡萄酒的口感結(jié)構(gòu)[18-19]，XC2的皮單寧和XC5的籽單寧含量最高，分別為13.51 mg/g和22.86 mg/g，均顯著高于其他株系。

劉春艷[7]對7個釀酒葡萄果實的12個品質(zhì)性狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，果實性狀的變異系數(shù)達(dá)4.43%～73.30%。蔡軍社[20]研究發(fā)現(xiàn)，不同樹齡‘赤霞珠’果穗質(zhì)量性狀的變異系數(shù)分布在26.50%～37.24%。本研究中，不同株系間各項品質(zhì)指標(biāo)間差異顯著，12個雜交后代株系變異程度較大，為8.29%～89.62%。酚類物質(zhì)的變異系數(shù)普遍高于外觀品質(zhì)和糖酸品質(zhì)，說明酚類物質(zhì)具有較豐富的遺傳多樣性。果實品質(zhì)相關(guān)性結(jié)果表明，外在品質(zhì)和糖酸品質(zhì)與其他品質(zhì)間呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，酚類物質(zhì)中各成分間呈顯著或極顯著正相關(guān)。

主成分分析是一種將原來個數(shù)較多且彼此相關(guān)的果實品質(zhì)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為新的個數(shù)較少且彼此獨立或不相關(guān)的綜合指標(biāo)的分析方法[21]。研究通過主成分分析，12個株系果實品質(zhì)的15項指標(biāo)可轉(zhuǎn)化為4個相互獨立的綜合指標(biāo)，其特征值均＞1，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到84.59%，可反映果實品質(zhì)性狀的大部分信息。主成分指標(biāo)之間是綜合的、相互獨立的，避免原始信息之間的重疊干擾，符合分析要求。研究中，第1個主成分的代表指標(biāo)為籽總酚、籽黃烷醇和籽總黃酮，第2個主成分的代表指標(biāo)為皮總酚、皮總黃酮、花色苷，與孫樹霖[14]將釀酒葡萄果實中酚類含量主要差異簡化為果皮和種子中酚類物質(zhì)含量的結(jié)果一致。由上述可知，株系XC8可溶性固形物高達(dá)21.9%，均顯著高于其他株系（XC14除外），且籽總酚和籽黃烷醇均顯著高于其他株系，皮總黃酮顯著高于其他株系（XC2除外），籽總黃酮均顯著高于其他株系。結(jié)合各株系主成分得分和排序，認(rèn)為株系XC8綜合表現(xiàn)最佳。