基于主成分和聚類分析的無籽西瓜果實性狀的綜合評價

侯東穎，蘇東濤，郝科星，張 曼，張 濤，侯富恩

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟管理學(xué)院 太原 030006）

長期以來，中國始終是西瓜的消費與生產(chǎn)大國，尤其近幾年，中國的西瓜種植產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展。據(jù)FAO 統(tǒng)計，2019 年我國西瓜種植面積以147 萬hm穩(wěn)居世界首位，同時總產(chǎn)量達到了6086 萬t，在全世界占比依次達到了47.7%與60.6%，受新冠肺炎疫情影響，2020 年我國西瓜甜瓜產(chǎn)業(yè)在生產(chǎn)端、市場端及進出口貿(mào)易方面有所回落。此外，我國的西瓜單產(chǎn)水平也高于世界平均水平。西瓜在我國非主要農(nóng)作物生產(chǎn)中的位置日益突出，而篩選優(yōu)良品種是西瓜生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)和主導(dǎo)方向。自新中國成立以來，我國各地區(qū)主栽西瓜品種已成功地完成了5 次更新?lián)Q代，也達到了良種雜交一代化的目標(biāo)。隨著人們生活水平和西瓜種植產(chǎn)業(yè)化水平的提高，對西瓜的品質(zhì)、抗逆、抗病性以及耐貯運性的要求也越來越高。

21 世紀(jì)以來，四倍體西瓜的創(chuàng)新和誘變加快了我國西瓜的育種進程，用四倍體與二倍體西瓜雜交，育成了一系列三倍體無籽西瓜新品種，通過國家審定或鑒定的無籽西瓜品種主要有鄭抗無籽、雪峰花皮無籽、雪峰小玉紅無籽及豐樂無籽等系列西瓜。山西晉中地區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照時數(shù)長，對西瓜生長發(fā)育極為有利，也是山西省重要的西瓜生產(chǎn)基地。山西省開展無籽西瓜育種工作相對較晚，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟管理學(xué)院設(shè)施西瓜課題組自2007 年先后培育出晉花無籽、晉陽無籽、黑金無籽、晉綠無籽3 號等無籽西瓜新品種。目前，三倍體西瓜在品質(zhì)、抗逆性及商品性方面變異較大，因此，選育優(yōu)質(zhì)多樣性的特色無籽西瓜新品種仍然是西瓜育種的重要目標(biāo)。

主成分分析作為作物品種綜合評價較常用的方法，已廣泛應(yīng)用于谷子、燕麥、辣椒、番茄等農(nóng)作物育種研究中?，F(xiàn)階段，一些學(xué)者已通過聚類及主成分分析法等開展西瓜種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，從而為西瓜種質(zhì)的選育和利用提供理論依據(jù)，但針對西瓜特色品種的篩選及綜合評價的相關(guān)研究較少。筆者采用主成分及聚類分析方法，對收集的24 個無籽西瓜品種的6 個果實性狀建立綜合評價體系，以期為山西晉中地區(qū)設(shè)施優(yōu)質(zhì)無籽西瓜品種的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料來源于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所提供的24 份無籽西瓜材料，詳見表1。

表1 西瓜參試品種名稱及育種單位

1.2 方法

試驗于2021 年3—7 月在山西省晉中市東陽鎮(zhèn)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗示范基地塑料大棚內(nèi)進行，試驗地地勢平整，前茬種植大豆，土壤為黏土，肥力中等。3 月中旬播種育苗，采用50 孔穴盤，穴盤規(guī)格為540 mm×280 mm，3 葉1 心時進行定植，7 月下旬進行采收。通過隨機區(qū)組方案來進行設(shè)計，小區(qū)面積為18 m，栽培密度為700 株·667 m，株行距為0.5 m×2.0 m，3 次重復(fù)，地爬式栽培，采用黑膜覆蓋，膜下微灌，每667 m施腐熟牛糞5 m，混復(fù)合肥50 kg 作為底肥，三蔓整枝，人工授粉，側(cè)蔓第3 或4雌花留果。每株留1～2 果，其余田間管理參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民慣例進行。西瓜采收后，調(diào)查供試品種的6 個果實性狀指標(biāo)：單瓜質(zhì)量、產(chǎn)量、果肉中心和邊部可溶性固形物含量、果皮厚度及果形指數(shù)。

1.3 項目測定

依據(jù)《西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，果實成熟后，每個小區(qū)取10 個果實，分別用直尺測量果實縱切面的縱徑、橫徑、果皮厚度并計算平均值及果形指數(shù)（果實縱徑/橫徑），每個果實稱質(zhì)量并折算成1 hm產(chǎn)量；采用MASTER-33M 手持折光儀來測量果肉邊部及中心可溶性固形物含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016 進行數(shù)據(jù)處理，運用SPSS 24.0 軟件對數(shù)據(jù)進行描述性統(tǒng)計分析、相關(guān)性分析與主成分分析及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同西瓜品種果實性狀的平均值與變異系數(shù)

24 份無籽西瓜品種基本涵蓋了大部分無籽西瓜類型（表2）。從果實形狀來看，以圓形果實居多，占比54.17%，其余為橢圓形，占比45.83%；從果皮顏色來看，以黑皮類型最多，占比58.33%，其次是花皮類型，占比33.33%，綠皮類型最少，僅占8.33%；從果肉顏色來看，紅瓤類型為主，占比79.17%，橙瓤類型占比12.50%，黃瓤類型占比8.33%。

表2 西瓜參試品種果實的外觀性狀統(tǒng)計

24 份西瓜品種果實性狀指標(biāo)的平均值及變異性（表3）。其中，平均單果質(zhì)量、果形指數(shù)以及果皮厚度等性狀變異范圍較大，極差分別為2.65 kg、1.67、1.20 cm，變異系數(shù)分別為17.35%、29.53%、31.36%，說明這3 個果實性狀在不同品種間存在差異，且外界環(huán)境因素影響可導(dǎo)致其變化；而變異范圍較小的果實性狀主要有產(chǎn)量、可溶性固形物含量，變異系數(shù)均小于10%，說明這些性狀主要受到自身遺傳基因的控制。中心可溶性固形物含量變異系數(shù)最小，僅為6.02%。

表3 西瓜參試品種果實性狀的平均值及變異性

2.2 不同西瓜品種果實性狀的相關(guān)性分析

根據(jù)表4 數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，西瓜單瓜質(zhì)量與產(chǎn)量之間存在著極顯著相關(guān)性，其系數(shù)值達到了0.653，與果皮厚度、果形指數(shù)值之間存在著不顯著的相關(guān)性；此外，它與邊部以及中心可溶性固形物含量之間均為不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表4 西瓜參試品種果實性狀相關(guān)系數(shù)

研究結(jié)果還表明，西瓜的果形指數(shù)與產(chǎn)量以及果皮厚度之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，但是并不顯著；果形指數(shù)與西瓜的邊部及中心可溶性固形物含量之間存在著負(fù)相關(guān)關(guān)系，程度也不顯著；西瓜的果皮厚度與產(chǎn)量之間存在著正相關(guān)的關(guān)系，且比較顯著；果皮厚度與果實中心可溶性固形物含量之間存在著極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但與邊部區(qū)域可溶性固形物含量之間存在著并不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。產(chǎn)量與邊部以及中心可溶性固形物含量之間均存在著顯著或極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系；就邊部與中心可溶性固形物含量而言，它們之間相關(guān)系數(shù)高達0.711，即二者之間呈極顯著正相關(guān)。

2.3 不同西瓜品種果實性狀的主成分分析

通過對24 個無籽西瓜品種的6 個果實指標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)化后進行主成分分析（表5）可以發(fā)現(xiàn)，排在最前面的3 個主成分特征值均超過1，且其累計貢獻率達到83.029%，其中，第1、第2 及第3 主成分分別占全部載荷量的47.421%、18.905%與16.703%，表明前3個主成分在西瓜果實性狀指標(biāo)評價中起主導(dǎo)作用，且能反映西瓜果實特性綜合評價的主要信息。

表5 主成分分析解釋的總方差及各成分載荷矩陣

西瓜品種6 個果實性狀的主成分載荷矩陣反映了各個性狀對主成分負(fù)荷的大小和正負(fù)方向，每個主成分中只有少數(shù)幾個指標(biāo)的因子載荷較大：在第1 主成分中，單瓜質(zhì)量、果皮厚度及產(chǎn)量載荷較大，說明這3 個性狀對第1 主成分正向影響較大，如果該主成分比較大，其3 個性狀指標(biāo)將相應(yīng)地增加，也就是說，該主成分可以清晰地體現(xiàn)出果實體積和質(zhì)量指標(biāo)；在第2 主成分中，可溶性固形物含量載荷較大，它對第2 主成分產(chǎn)生正向影響，即可溶性固形物含量會隨著第2 主成分的增大而升高，第2 主成分主要反映西瓜果實的含糖量和風(fēng)味指標(biāo)；對于第3 主成分來說，在西瓜的果形指數(shù)上存在著比較高的正向載荷系數(shù)值，所以該主成分可以體現(xiàn)出果實的形狀指標(biāo)。

結(jié)合所提取出來的前3 位累計貢獻率為83%的3 個主成分的情況，全面構(gòu)建無籽西瓜果實性狀指標(biāo)的分析評估模型。再以主成分所對應(yīng)載荷值及特征值來獲得相關(guān)的特征向量，由此得到下述表達式：

=- 0.507+ 0.467+ 0.442- 0.390+0.367+0.206；

=0.318+ 0.316+ 0.011+ 0.599+0.663-0.003；

=0.074-0.334+0.210+0.180-0.039+0.897。

以上3 個表達式中，代表單瓜質(zhì)量、代表果形指數(shù)、代表果皮厚度、代表產(chǎn)量、代表中心可溶性固形物含量、代表邊部可溶性固形物含量；綜合各個主成分對應(yīng)的方差貢獻率加權(quán)求和：

=0.4509+0.174+0.1374。

根據(jù)主成分得分綜合模型，計算得出24 個品種無籽西瓜的綜合得分和排序（表6），值得分越高，表明該品種西瓜綜合性狀越好，其中，排名第1的品種為20Y11，其分值到達了8.35，其次為20Y13、20Y15、20Y10、20Y9，分別位列2 到5 位；21Y4、20Y1、20Y18、21Y11 及21Y1 這幾個品種綜合分值較低，表現(xiàn)較差。

表6 西瓜參試品種果實性狀的主成分因子綜合得分

2.4 不同西瓜品種果實性狀的聚類分析

由圖1 可知，當(dāng)聚類距離為10 時，可將24 個無籽西瓜品種聚分為4 類：其中20Y11 為Ⅰ類，這也與主成分分析綜合評價得分最高的品種一致，該品種平均單瓜質(zhì)量4.65 kg，果形長橢圓形，果皮厚度約1.3 cm，中心可溶性固形物含量11.55%，邊部可溶性固形物含量9.45%，中邊差較小，瓤色橙色，瓤質(zhì)脆；20Y5、20Y12、20Y7、20Y8、20Y3、20Y15、20Y2、20Y9、20Y10、20Y14、20Y6、20Y4、21Y12、20Y1、21Y4、21Y5、20Y13 為Ⅱ類，共17 個品種，該類群又可分為兩個亞類：20Y13 和剩余的16 個品種，其中20Y13 與主成分分析綜合得分第二的品種一致，該品種在參試品種中單瓜質(zhì)量和產(chǎn)量最高，果形近圓形，瓤色紅，瓤質(zhì)酥脆，無籽性好，口感風(fēng)味佳；21Y3為Ⅲ類；20Y16、20Y17、20Y18、21Y11、21Y1 為Ⅳ類，該類群共5 個品種，與前面的主成分分析綜合評價得分排名最后的品種基本一致，這兩個類群的品種相對平均單瓜質(zhì)量小，產(chǎn)量低，雖然其中有些品種可溶性固形物含量高，但中邊差較大，口感一般，且果皮厚度較小，易開裂，不耐貯運。

圖1 西瓜參試品種的聚類分析圖

結(jié)合主成分分析和聚類分析結(jié)果，Ⅰ和Ⅱ類的無籽西瓜品種綜合指標(biāo)都處于中等偏上，其中又以20Y11 和20Y13 表現(xiàn)最為優(yōu)異，是較適宜在山西晉中地區(qū)早春栽培的無籽西瓜品種。

3 討論與結(jié)論

西瓜果實的單瓜質(zhì)量直接決定著產(chǎn)量，一般單瓜質(zhì)量越大的品種產(chǎn)量也越高，但在選育品種過程中不能夠僅依賴單瓜質(zhì)量，果皮厚度和耐貯運性也是值得重視的性狀；可溶性固形物含量決定了果實的風(fēng)味及品質(zhì)，其值越高代表風(fēng)味與品質(zhì)也越好；而果形指數(shù)是園藝作物商業(yè)產(chǎn)品進行市場品質(zhì)評價、定級及分類的重要考核指標(biāo)。

主成分分析實際上主要是在線性變換的基礎(chǔ)上，使復(fù)雜卻又存在相關(guān)性的多個變量有機地組合起來，從而形成了數(shù)量較少、同時也不存在關(guān)聯(lián)性的綜合指標(biāo)，以對之前的指標(biāo)變量進行有效的替代，實現(xiàn)指標(biāo)體系的進一步簡化，最終實現(xiàn)多元統(tǒng)計分析的目標(biāo)。李晶等采用主成分分析的方法對8個西瓜品種的7 個營養(yǎng)品質(zhì)性狀進行綜合分析，從而篩選出適宜甘肅日光溫室栽培的優(yōu)質(zhì)小果型西瓜品種；史亮亮等基于主成分分析對25 個薄皮甜瓜品種的產(chǎn)量、商品性、品質(zhì)等進行綜合評價，從而篩選出適宜廣州地區(qū)春季種植的薄皮甜瓜品種。

筆者為了有效篩選適宜于山西晉中地區(qū)早春設(shè)施栽培的無籽西瓜品種，選用24 個無籽西瓜品種為試驗材料，通過對各個品種的單果質(zhì)量、果皮厚度、果形指數(shù)、產(chǎn)量、中心和邊部可溶性固形物含量6 個果實性狀進行描述性統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)果皮厚度、果形指數(shù)的變異系數(shù)較大，說明這2 個指標(biāo)變化的多樣性來源于品種間的差異，對于可溶性固形物含量而言，其相應(yīng)的數(shù)量性狀變異區(qū)間則相對比較小，相關(guān)變異系數(shù)均未超過10%，由此可知，這些性狀不易受外界環(huán)境影響，在現(xiàn)有品種的基礎(chǔ)上進行改良的空間較小，這與近年來人們將高糖含量西瓜作為主要育種目標(biāo)有很大關(guān)系。

相關(guān)性分析是研究某些隨機變量之間是否存在一定相關(guān)性，并探索特定相關(guān)性現(xiàn)象的相關(guān)性方向和程度的一種統(tǒng)計方法。果實性狀之間的相關(guān)系數(shù)絕對值越大，他們之間呈正相關(guān)或負(fù)相關(guān)的顯著程度也越高。根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果可知，除了西瓜的果形指數(shù)和別的性狀有較低的相關(guān)性之外，其他性狀之間基本上呈現(xiàn)顯著的相關(guān)或負(fù)相關(guān)。

通過主成分分析法來將3 個累計貢獻率超過83.03%的主成分提取出來，然后對24 個無籽西瓜品種的6 個果實性狀指標(biāo)進行綜合打分，并在主成分分析的基礎(chǔ)上進行聚類分析，將供試的24 份無籽西瓜品種分為4 類，其類別也與主成分分析綜合得分排名基本一致，其中20Y11 和20Y13 這2 個品種在參試品種中表現(xiàn)最為優(yōu)異，適宜在山西晉中地區(qū)早春設(shè)施推廣種植，對當(dāng)?shù)責(zé)o籽西瓜品種的選育具有一定的參考價值。

在生產(chǎn)種植中，由于晉中地區(qū)夏季炎熱多雨，西瓜坐果與品質(zhì)易受陰雨天氣影響，因此要控制好坐果節(jié)位及水肥施用量；參試品種抗病性普遍較強，但整個生長期仍要注意枯萎病、病毒病以及蚜蟲等病蟲害的防治。

西瓜的綜合評價是西瓜所有量化指標(biāo)綜合表現(xiàn)的結(jié)果，因此，篩選出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的品種需要對多樣性的農(nóng)藝性狀進行收集和分析。本試驗中僅對西瓜的部分果實性狀進行了分析，具有一定的局限性，下一步還需結(jié)合抗性、物候期及營養(yǎng)指標(biāo)等全面分析，以更好地為西瓜品種選育與改良提供科學(xué)依據(jù)。