基于主成分分析和聚類分析的23份黃皮種質(zhì)資源的品質(zhì)評價

喻華平，趙志常，高愛平，羅睿雄*

基于主成分分析和聚類分析的23份黃皮種質(zhì)資源的品質(zhì)評價

喻華平1,2，趙志常2，高愛平2，羅睿雄2*

1. 海南大學(xué)園藝學(xué)院，海南?？?570228；2. 中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所/國家熱帶果樹品種改良中心，海南?？?571101

為科學(xué)評價黃皮種質(zhì)果實品質(zhì)奠定基礎(chǔ)，采用主成分分析和聚類分析的方法，以23份黃皮種質(zhì)資源的成熟果實為試材，測定單果重、果實縱徑、果實橫徑、果形指數(shù)、可食率、可溶性固形物、蛋白質(zhì)、VC含量、總酸、可溶性糖、糖酸比11項品質(zhì)指標(biāo)，從中篩選出具有代表性的黃皮品質(zhì)評價指標(biāo)，并對23份黃皮種質(zhì)進(jìn)行聚類。結(jié)果表明，單果重、VC、蛋白質(zhì)、可溶性糖、總酸和糖酸比的變異系數(shù)均在20%以上，其中黃皮果實的糖酸比變異系數(shù)最大，高達(dá)108.57%，不同黃皮種質(zhì)間營養(yǎng)成分的含量差異大，具有豐富的遺傳信息和多樣性；而果實橫徑、果形指數(shù)的變異系數(shù)均在10%以下，果形指數(shù)的變異系數(shù)最小，僅6.98%，黃皮外觀形狀、大小遺傳比較穩(wěn)定、改良空間較??；23份黃皮種質(zhì)的各品質(zhì)指標(biāo)之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性；將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，進(jìn)行主成分分析，提取出4個具有代表性的主成分，累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)到85.41%；通過計算得到第1～4主成分因子得分和品質(zhì)指標(biāo)的綜合得分，其中第1、2主成分在黃皮品質(zhì)綜合評價中起到關(guān)鍵作用，綜合評價得分最高的為A3，得分最低的為G1；對黃皮種質(zhì)資源的品質(zhì)影響較大且相對獨立的有單果重、果形指數(shù)、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比這6個指標(biāo)；將6個具有代表性的品質(zhì)指標(biāo)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理后進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，在歐氏距離15處，可得到4大類群，第I大類群有A3和Y-2，果實大、可食率較高、糖酸比高，風(fēng)味偏甜，品質(zhì)優(yōu)良，第II大類群有X1、Y-1、G2和B1，果實較大，形狀多樣，可食率高，可溶性糖和糖酸比較低，品質(zhì)較差，第III大類群包括300-1、J2、300-2、9-3、H1、A1、Z1、A2、N-3這9份黃皮種質(zhì)，其果實大小偏低，可食率較高，酸甜適中，第IV類群包括A5、N-1、H2、A6、T1、G1、J1、J3這8份種質(zhì)，其果小，可食率低，可溶性糖較低，總酸較高，糖酸比極低，口感較差。

黃皮；種質(zhì)資源；主成分分析；聚類分析；品質(zhì)評價

黃皮[]是一種生長在熱帶和亞熱帶地區(qū)的蕓香科柑橘亞科黃皮屬優(yōu)稀果樹，別名又稱黃彈子、金彈子、黃檀子等[1]，原產(chǎn)于我國南部，在廣東、廣西、海南及四川（金沙江河谷地區(qū)）等南方省（區(qū)）均有一定的栽培面積[2]，其作用廣泛，果實、果核、根、葉皆可入藥，果實還可鮮食，或加工成糖果、蜜餞、果醬、糖漬等，頗受消費(fèi)者的歡迎，民間素有“果中珍寶”的美稱[3]。

種質(zhì)資源作為遺傳信息的重要載體，可提供豐富的母本材料，對新品種的選育有著直接或間接的重要參考價值[3]。同時，果實品質(zhì)是評價果實好壞的重要依據(jù)[4]，感官品質(zhì)更是消費(fèi)者選擇商品果實的重要指標(biāo)，但果實品質(zhì)之間的主次界限并不清晰，多元統(tǒng)計分析法作為一種綜合評價方法，可將無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，以各主成分的方差貢獻(xiàn)率為權(quán)重，將這些品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行合理的簡化[5]。目前，多元統(tǒng)計分析法已在桃[6-7]、杏[8-9]、李[10-11]、梨[12-14]、蘋果[15]、石榴[4, 16]等果樹的品質(zhì)性狀評價中大量應(yīng)用，同時，多元統(tǒng)計分析中的主成分分析和聚類分析法在黃皮種質(zhì)或品系的品質(zhì)評價及分類中也有應(yīng)用。陸育生等[17]采用多元統(tǒng)計分析法，將13項果實品質(zhì)指標(biāo)分為5類，22份黃皮種質(zhì)分為3類，結(jié)果與實際口感評價結(jié)果一致；彭程等[18]對8個黃皮品系內(nèi)的香氣物質(zhì)進(jìn)行了檢測和分析，通過主成分分析和聚類分析法，探究了黃皮香氣的差異，將7個黃皮品系聚為一類；彭程等[19]采用相關(guān)性分析和主成分分析對184份黃皮種質(zhì)的有機(jī)酸成分進(jìn)行了分析，從中挖掘出了高檸檬酸和低檸檬酸的黃皮種質(zhì)。

因此，本研究以23份黃皮種質(zhì)資源為研究對象，基于不同黃皮種質(zhì)的11個品質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性分析，采用主成分分析和聚類分析的多元統(tǒng)計分析法，對23份黃皮果實品質(zhì)進(jìn)行綜合評估和聚類分析，以期為構(gòu)建黃皮種質(zhì)的品質(zhì)評價指標(biāo)體系和科學(xué)評價其品質(zhì)奠定基礎(chǔ)，并為新品種的選育提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料

供試黃皮種質(zhì)有23份，樹齡均為7～8年，砧木為本地黃皮果樹，種質(zhì)編號分別為300-1、300-2、9-3、A1、A2、A3、A5、A6、B1、G1、G2、H1、H2、J1、J2、J3、N-1、N-3、T1、X1、Y-1、Y-2和Z1。樣品果均采自中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所國家熱帶果樹品種改良中心基地（海南省儋州市）。在果實成熟期，每份黃皮種質(zhì)均隨機(jī)采取15個具有代表性且無病蟲害的成熟果實，去梗洗凈，用紗布擦干果實表面水分，測定外觀指標(biāo)，測完后，將每份種質(zhì)資源的所有樣品的果肉混合均勻，放到–20℃冰箱內(nèi)，用于生理生化指標(biāo)測定。

1.2 方法

用JI602電子天平（梅特勒公司）測定單果重；0～150 mm電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺（漢中萬目儀電有限責(zé)任公司）測定果實的縱徑和橫徑，并通過果實縱、橫徑之比計算出果形指數(shù)；采用稱重法測定可食率，用單果重減去果皮重和種子重的差值與單果重的比值表示；采用MASTER-M型手持式折光儀（上海捷瀘）測定可溶性固形物含量；考馬斯亮藍(lán)法[20]測定蛋白質(zhì)含量；采用高效液相色譜法[21-22]測定VC和可溶性糖；用NaOH中和滴定法[23]測定總酸含量；用可溶性糖含量與總酸含量的比值表示糖酸比。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用SPSS 18.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 23份黃皮種質(zhì)品質(zhì)指標(biāo)的測定結(jié)果及分析

23份黃皮種質(zhì)的11個品質(zhì)指標(biāo)的變異情況分析結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，不同黃皮種質(zhì)的11個品質(zhì)性狀表現(xiàn)出不同程度的變異，且變異系數(shù)較大。其中，糖酸比的變異系數(shù)最大，為108.57%，說明不同種質(zhì)之間的口感相差較大；其次為蛋白質(zhì)、總酸、單果重、VC、可溶性糖、可溶性固形物、可食率、縱徑、橫徑，變異系數(shù)在9.12%～35.49%；果形指數(shù)的變異系數(shù)最小，為6.98%，果實大多呈圓球形、橢圓形或圓錐形。

2.2 黃皮種質(zhì)品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

23份黃皮種質(zhì)果實的11個內(nèi)外品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析如表2所示。果實單果重與果實縱、橫徑呈極顯著的正相關(guān)；果實縱徑與果實橫徑、果形指數(shù)呈極顯著的正相關(guān)；果形指數(shù)與蛋白質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)，而與VC含量呈顯著的負(fù)相關(guān)；可食率與總酸呈極顯著的負(fù)相關(guān)；可溶性固形物與可溶性糖、糖酸比呈極顯著的正相關(guān)；可溶性糖與糖酸比呈極顯著的正相關(guān)；總酸與糖酸比呈極顯著的負(fù)相關(guān)。

2.3 黃皮品質(zhì)指標(biāo)的主成分分析

2.3.1 主成分分析 采用SPSS 18.0軟件對23份黃皮種質(zhì)的11個品質(zhì)指標(biāo)的平均數(shù)進(jìn)行無量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理，將經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得到黃皮品質(zhì)觀測指標(biāo)的主成分的特征值、方差貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表3所示。在SPSS主成分分析的降維過程中，認(rèn)為特征值大于等于1或者累計方差貢獻(xiàn)率大于85%的主成分具有一定代表性[24]。因此，從表3中可以看出，前4個主成分的方差特征值分別為3.960、2.641、1.503、1.292，均大于1，同時，這4個主成分的累計方差貢獻(xiàn)率為85.41%，大于85%。因此，按照主成分提取的標(biāo)準(zhǔn)，本次實驗可提取到符合條件的4個主成分，而其他成分的特征值均小于1，且方差貢獻(xiàn)率趨于平緩，代表性不強(qiáng)，不提取為主成分。

表2 品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析

注：*表示顯著相關(guān)（<0.05），**表示極顯著相關(guān)（<0.01）。

Note:*indicates significant correlation (<0.05),**indicates extremely significant correlation (<0.01).

表3 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

提取的主成分載荷矩陣如表4所示。主成分1主要是單果重、縱徑、橫徑、果形指數(shù)、VC、總酸和糖酸比這7個指標(biāo)共同影響。其中，果實縱徑的正向載荷最大，其次單果重、橫徑和糖酸比正向載荷較大，對綜合評價結(jié)果起到正作用，果實縱、橫徑和果形指數(shù)反映果實的外觀形狀，黃皮果實形狀主要呈圓球形、橢圓形或圓錐形；單果重反映果實的大?。惶撬岜仁沁€原性糖與總酸的比值，反映果實酸甜的口感；而主成分1中VC與總酸為負(fù)向載荷，代表酸度高、VC高對黃皮果實的綜合評價起到負(fù)作用。因此，主成分1主要反映黃皮果實的大小、外觀形狀、口感。主成分2主要是果形指數(shù)、可溶性固形物、可溶性糖、總酸和糖酸比這5個指標(biāo)共同影響，其中可溶性固形物、可溶性糖和糖酸比為正向載荷，而果形指數(shù)和總酸為負(fù)向載荷。因此，主成分2主要反映黃皮果實的外形、風(fēng)味。主成分3主要由橫徑、VC、蛋白質(zhì)和總酸這4個指標(biāo)共同影響，其均為正向載荷。主成分3主要反映黃皮果實的形狀、營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味品質(zhì)。主成分4主要是橫徑、果形指數(shù)和蛋白質(zhì)這3個指標(biāo)共同影響，其中僅果實橫徑為負(fù)向載荷。主成分4主要反映黃皮果實的形狀和能量含量。

表4 23份黃皮種質(zhì)品質(zhì)指標(biāo)主成分載荷矩陣

2.3.2 綜合性評價 主成分特征向量系數(shù)計算公式如下：

計算得出每個主成分特征向量系數(shù)后，構(gòu)建得到1～4主成分的得分函數(shù)表達(dá)式，分別為：

1=0.431+0.442+0.393+0.254+0.235–0.026–0.387+0.148+0.089–0.2510+0.3411；

2=–0.091–0.242–0.053–0.354–0.105+0.506–0.127–0.038+0.539–0.3510+0.3511；

3=0.301+0.192+0.333–0.104–0.305+0.296+0.337+0.368+0.319+0.4210–0.2511；

4=–0.271–0.022–0.413+0.494+0.125+0.136–0.047+0.688+0.149–0.0210+0.0111。

式中1、2、3、4分別表示第1～4個主成分的特征向量權(quán)重值，1、2、3、……、8分別代表每份種質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化后單果重、縱徑、橫徑、果形指數(shù)、可食率、可溶性固形物、VC、蛋白質(zhì)、可溶性糖、總酸和糖酸比的結(jié)果。

黃皮綜合品質(zhì)得分的計算公式如下：

式中為黃皮綜合品質(zhì)得分值，1、2、3、4分別代表第1～4個主成分的特征值。

將數(shù)據(jù)分別代入上述式中，即得黃皮綜合品質(zhì)得分計算式為：

=0.421+0.282+0.163+0.144

最后，通過SPSS進(jìn)行變量計算，將每個品質(zhì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)分別代入1～4函數(shù)式中，即得到1～4主成分因子得分，再將該得分代入至函數(shù)式中，計算得到23份黃皮種質(zhì)的品質(zhì)綜合得分，并進(jìn)行排序，結(jié)果如表5所示。

因此，綜上分析結(jié)果可知，第1、2主成分在黃皮品質(zhì)綜合評價中起到關(guān)鍵作用，而第3、4主成分在綜合評價中占比不大。即單果重、果實縱徑、可食率、VC、可溶性糖、總酸和糖酸比對黃皮品質(zhì)的影響較大，VC和總酸含量較低、可溶性糖、糖酸比和可食率較高的、果實較大的圓球形黃皮種質(zhì)品質(zhì)較好。

2.4 23份黃皮種質(zhì)的聚類分析

根據(jù)品質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析和主成分分析的結(jié)果，篩選出單果重、果形指數(shù)、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比6個指標(biāo)，將其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用歐氏距離平方法進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，可將23份黃皮種質(zhì)資源分為4大類群（圖1）。黃皮種質(zhì)A3和Y-2從23份資源內(nèi)分離出來，其果實較大，果形比例協(xié)調(diào)，為橢圓形或圓球形，可食率和可溶性糖較高，糖酸比高，而總酸低，風(fēng)味偏甜，主成分綜合得分高，口感好，即為第I類群；X1、Y-1、G2和B1這4份種質(zhì)，其果實較大，形狀多樣，可食率高，果形指數(shù)較高，有雞心形、長心性、橢圓形等形狀，可溶性糖和糖酸比較低，綜合品質(zhì)較前者差，即組成第II類群；300-1、J2、300-2、9-3、H1、A1、Z1、A2、N-3這9份種質(zhì)為第III類群，其果實大小偏低，可食率較高，酸甜適中；其余8份資源（A5、N-1、H2、A6、T1、G1、J1、J3）則組成第IV類群，其果小，可食率低，可溶性糖較低，總酸較高，糖酸比極低，口感較差，與其他種質(zhì)差異大。

表5 主成分因子得分及排序表

圖1 23份黃皮種質(zhì)資源的系統(tǒng)聚類分析圖

3 討論

果實的品質(zhì)性狀可以反應(yīng)其遺傳特性，而果實品質(zhì)有多個組成因子，不同的因子成分相對獨立又密切相關(guān)[17]。本研究測定了23份黃皮種質(zhì)的11個品質(zhì)指標(biāo)，將11個指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，黃皮果實的糖酸比變異系數(shù)最大，高達(dá)108.57%，說明該性狀具有豐富的遺傳信息和可發(fā)展?jié)摿?；而果實橫徑、果形指數(shù)的變異系數(shù)均在10%以下，其中，果形指數(shù)的變異系數(shù)最小，僅6.98%，說明黃皮外觀形狀、大小的遺傳相對比較穩(wěn)定，改良空間較?。贿@11個品質(zhì)指標(biāo)并不是完全獨立的，其間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，其中，黃皮果實橫徑與單果重正相關(guān)性最大，總酸與糖酸比的負(fù)相關(guān)性最大。對于果實評價而言，從眾多品質(zhì)指標(biāo)中選擇具備代表性的指標(biāo)就顯得尤為重要。

主成分分析也稱主分量分析，是可以將這些有聯(lián)系又相對獨立的眾多指標(biāo)，用少數(shù)綜合的變量進(jìn)行概括，起到降維的多元統(tǒng)計方法[25]。這種方法被普遍運(yùn)用到桃、杏、李、梨、蘋果等果樹果實的品質(zhì)性狀的分析評價中[6-15]，這表明該方法能有效地對相對獨立又有一定聯(lián)系的數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀進(jìn)行綜合考察分析。本研究采用主成分分析法，將11個品質(zhì)指標(biāo)簡化為4個綜合指標(biāo)，即第1～4主成分，并從中篩選出最具代表性的6個指標(biāo)，即單果重、果形指數(shù)、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比，選取的指標(biāo)與陸育生等[17]簡化的黃皮果實品質(zhì)評價指標(biāo)基本一致。這證明23份黃皮種質(zhì)的綜合品質(zhì)主要取決于這6個品質(zhì)性狀，表明其可以作為黃皮品質(zhì)評價的核心指標(biāo)，但單個指標(biāo)值的高低并不能完全決定黃皮種質(zhì)的綜合品質(zhì)[26]。

聚類分析是按照相對獨立又有一定相關(guān)性的指標(biāo)在性質(zhì)上的親疏相似程度進(jìn)行分類的一種多元統(tǒng)計分析方法[24]，其能將大量的種質(zhì)資源進(jìn)行分類、綜合考察。本研究以單果重、果形指數(shù)、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比這6個指標(biāo)對供試的23份黃皮資源進(jìn)行聚類分析，在歐氏距離為15時，可將其分為4大類群，第Ⅰ、Ⅲ類群的綜合表現(xiàn)較優(yōu)，評價結(jié)果基本與實際口感相一致，進(jìn)一步說明這6個指標(biāo)對黃皮種質(zhì)品質(zhì)的評價具備有一定的合理性，能夠充分反應(yīng)黃皮品質(zhì)的特征，也證明了主成分分析和聚類分析在黃皮果實的品質(zhì)評價方面具有一定的科學(xué)性和實用性[17]。

綜合以上分析，在黃皮果實品質(zhì)評價中的綜合利用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析，可以有效的簡化指標(biāo)，并對所有種質(zhì)科學(xué)的評價和合理的分類，減少了種質(zhì)資源選優(yōu)的工作量，為構(gòu)建黃皮種質(zhì)的品質(zhì)評價指標(biāo)體系和新品種的選育奠定了基礎(chǔ)。

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Quality Evaluation of 23 Species of(Lour.) Skeels Germplasm Resources Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

YU Huaping1,2, ZHAO Zhichang2, GAO Aiping2, LUO Ruixiong2*

1. College of Horticulture, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China; 2. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / National Cultivar Improvement Center of Tropical Fruit Tree, Haikou, Hainan 571101, China

In order to lay the foundation for scientific evaluation of fruit quality of wampee germplasms, 11 fruit quality indices including single fruit weight, fruit length, fruit diameter, fruit shape index, edible rate, total soluble solid, vitamin C, protein, soluble sugar, total acid, sugar-acid ratio for the mature fruits of 23 wampee germplasms resources were measured and analyzed using principal component analysis and cluster analysis. Lastly, the representative quality evaluation indexes were selected from indices, 23 wampee germplasms resources were clustered according to the selected indexes. The results showed that the variation of single fruit weight, vitamin C, protein, soluble sugar, total acid and sugar-acid ratio were above 20%, while the variation of fruit diameter and fruit shape index were below 10%. Among them, the variation of sugar-acid ratio of wampee germplasms was the most significant, which was as high as 108.57%, while the variation of fruit shape index was the most non-significant, only 6.98%. This indicated that the content of nutrients varied greatly among different wampee germplasm, with abundant genetic information and diversity, and the appearance and size of them were genetically stable, and had less space for improvement. There were significant or extremely significant correlations among the quality indexes of the germplasm. After standardizing the data, the principal component analysis was carried out, and four representative principal components were extracted, of whom cumulative proportion reached 85.41%. According to the score of the 1stto 4thprincipal component factor and the comprehensive score of the quality indexes, the first and second principal components played a key role in the comprehensive evaluation of wampee quality, the highest score was A3, and the lowest score was G1. Meanwhile, the six indexes which has great influence and relatively independent on the quality of wampee germplasm resources were single fruit weight, fruit shape index, edible rate, soluble sugar, total acid and sugar-acid ratio. The systematic cluster analysis of fruit quality in wampee by the 6 selected and representative indexes which were standardized showed that the fruit quality from the germplasm resources could be clustered into 4 groups according to Euclidean distance of 15. The 1stgroup had A3 and Y-2, which were the largest, and had a high edible rate and sugar-acid ratio, with a sweet flavor and excellent quality. The 2ndgroup had X1, Y-1, G2 and B1, the fruits were larger and diverse in shapes, with high edible rates, but relatively low in soluble sugar and sugar acids, and inferior quality. The 3rdgroup included 300-1, J2, 300-2, 9-3, H1, A1, Z1, A2 and N-3, which had low fruit size, high edible rate, moderate sour and sweet. The 4thgroup included A5, N-1, H2, A6, T1, G1, J1, J3, which had small fruit, low edible rate, low soluble sugar, high total acid, low sugar-acid ratio and poor taste.

wampee; germplasm resources; principal component analysis; cluster analysis; quality evaluation

S666.6

A

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.07.006

2022-01-25；

2022-02-27

海南省重點研發(fā)計劃項目（No. ZDYF2020057）；海南省自然科學(xué)基金高層次人才項目（No. 320RC728）。

喻華平（1997—），女，碩士研究生，研究方向：熱帶果樹種質(zhì)資源與育種。*通信作者（Corresponding author）：羅睿雄（LUO Ruixiong），E-mail：luoruixiong@163.com。