基于因子分析和聚類分析的紅花龍膽種子質(zhì)量評(píng)價(jià)

劉龍江, 吳之坤, 任得強(qiáng), 周雅雪, 薛 娟, 魏升華

(1.貴州中醫(yī)藥大學(xué), 貴陽 550025; 2.貴州健興藥業(yè)有限公司, 貴陽 550001)

紅花龍膽(GentianarhodanthaFranch.ex Hemsl)為龍膽科龍膽屬多年生草本植物,又名小龍膽草、青魚膽草、雪里梅、鳳凰花、星秀花、血龍膽、九月花等,主要分布于四川、貴州、云南等省[1]。紅花龍膽為特色苗族藥材,在治療濕熱黃疸、小便不利、肺熱咳嗽等方面具有顯著療效[2]。以紅花龍膽為原料的具有苗族特色的止咳、平喘民族中成藥肺力咳膠囊/合劑等廣泛用于呼吸系統(tǒng)多種病癥的綜合治療,市場(chǎng)口碑良好,市場(chǎng)需求量逐年攀升[3-5]。紅花龍膽野生藥材資源日趨匱乏,紅花龍膽人工種植技術(shù)亟待解決。目前紅花龍膽人工種植研究所用種子還是以中間商收購的野生種子為主,種子質(zhì)量差異較大,遺傳背景不清,易受病蟲害侵?jǐn)_,嚴(yán)重阻礙了紅花龍膽人工種植研究的進(jìn)展。因此,開展紅花龍膽種子質(zhì)量品質(zhì)評(píng)價(jià)研究很有必要,但目前尚無對(duì)紅花龍膽種子質(zhì)量品質(zhì)評(píng)價(jià)方面的報(bào)道。通過主成分分析的方法對(duì)川黨參、川白芷、棉花、知母、鷹嘴豆、黃芩等[6-11]進(jìn)行了種子質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究,因子分析是主成分分析的推廣和擴(kuò)展,利于實(shí)際意義的解釋[12]。本研究先對(duì)30個(gè)不同種源的紅花龍膽種子質(zhì)量品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定,對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,并運(yùn)用因子分析和系統(tǒng)聚類分析,對(duì)不同種源紅花龍膽種子質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),為篩選適宜紅花龍膽人工種植的優(yōu)質(zhì)種子提供參考。

1 材料及方法

1.1 材料來源

2021年12月開始對(duì)紅花龍膽野生種質(zhì)資源進(jìn)行調(diào)查并采集標(biāo)本及自然成熟種莢,植物標(biāo)本經(jīng)貴州中醫(yī)藥大學(xué)魏升華教授鑒定為紅花龍膽,共采集了17個(gè)產(chǎn)地的30個(gè)種源的紅花龍膽種子,詳見表1。

表1 供試材料來源Table 1 Sources of tested materials

1.2 測(cè)定指標(biāo)及方法

對(duì)供試材料的9個(gè)種子品質(zhì)性狀進(jìn)行測(cè)定,其中種莢長(zhǎng)寬徑、種子長(zhǎng)寬徑用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量,千粒重及種子實(shí)驗(yàn)參照《農(nóng)作物種子檢驗(yàn)規(guī)程》[13]進(jìn)行測(cè)定,結(jié)合上述數(shù)量關(guān)系,對(duì)種子的大小和品質(zhì)進(jìn)行量化。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),利用IBM SPSS Statistics 26.0軟件對(duì)紅花龍膽種莢長(zhǎng)徑、種莢寬徑、種子長(zhǎng)徑、種子寬徑、千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽天數(shù)等進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析、因子分析、聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

由表2和表3可以看出,30個(gè)種源中,C4的種莢長(zhǎng)徑、種莢寬徑、種子長(zhǎng)徑、種子寬徑、千粒重、發(fā)芽率的均值最大,分別為20.88 mm、4.09 mm、1.56 mm、1.25 mm、0.175 g、98.75%;C5的發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)的均值最大,分別為96%,42.30;C22的發(fā)芽天數(shù)的均值最短(8 d);C29的種莢長(zhǎng)徑的均值最小(15.58 mm);C19的種莢寬徑的均值最小,為2.59 mm;C16的種子長(zhǎng)徑、種子寬徑的均值最小,分別為1.08 mm、0.83 mm;C19的千粒重的均值最小,為0.092 g;C30的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽天數(shù)的均值最差,分別為10%,3%,1.02,18.5 d。

表2 不同種源紅花龍膽種子特性Table 2 Seed characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

表3 不同種源紅花龍膽種子萌發(fā)特性Table 3 Seed germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

2.2 相關(guān)性分析

對(duì)紅花龍膽種子質(zhì)量各指標(biāo)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn),滿足正態(tài)性,進(jìn)而進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果(表4)表明,種莢寬徑與種子長(zhǎng)徑、種子寬徑和千粒重呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.710,0.806,0.668,差異達(dá)極顯著水平;種子長(zhǎng)徑與種子寬徑、千粒重呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.858,0.666,差異達(dá)極顯著水平;種子寬徑與千粒重呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.520,差異達(dá)極顯著水平;發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.803,0.718,差異達(dá)極顯著水平;發(fā)芽率與發(fā)芽天數(shù)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.548,差異達(dá)極顯著水平;發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽指數(shù)呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.938,差異達(dá)極顯著水平;發(fā)芽勢(shì)與發(fā)芽天數(shù)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.740,差異達(dá)極顯著水平;發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽天數(shù)呈負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.666,差異達(dá)極顯著水平。

表4 紅花龍膽種子特征與發(fā)芽特性的相關(guān)性Table 4 Correlation between seed characteristics and germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl

2.3 因子分析及綜合評(píng)價(jià)

2.3.1因子分析

剔除與其他指標(biāo)存在弱相關(guān)的種莢長(zhǎng)徑,用紅花龍膽種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽天數(shù)、千粒重、種子長(zhǎng)徑、種子寬徑和種莢寬徑等8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行因子分析(KMO統(tǒng)計(jì)量值為0.603>0.6;巴特利特球形檢驗(yàn)結(jié)果為p<0.01,滿足進(jìn)行因子分析的條件)。由表5可知,前2個(gè)主因子的累積貢獻(xiàn)率為79.632%,表明前2個(gè)主因子能解釋紅花龍膽種子質(zhì)量性狀總體79.632%的變異,可用前2個(gè)主因子對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第1主因子的特征值為3.243,貢獻(xiàn)率為40.535%,決定第1主因子的主要是發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)及發(fā)芽天數(shù),稱為發(fā)芽特性因子,第2主因子的特征值為3.128,貢獻(xiàn)率為39.097%,起決定作用的是千粒重、種子長(zhǎng)徑、種子寬徑及種莢寬徑,稱之為種子特性因子。

表5 種子性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis for seed traits

2.3.2綜合評(píng)價(jià)

借助回歸法對(duì)特征根和旋轉(zhuǎn)后的因子載荷系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,以估計(jì)2個(gè)主因子在不同種源紅花龍膽種子質(zhì)量的因子得分,以權(quán)衡每個(gè)主因子在每個(gè)種源種子質(zhì)量上的位置和分量,以便直觀地判斷種子質(zhì)量的優(yōu)劣。由表6可知,C5的F1(發(fā)芽特性因子)最高(2.2),C30的F1(發(fā)芽特性因子)最低(-2.817),C4的F2(種子特性因子)最高(2.688),C19的F2最低(-1.87)。以各主因子的貢獻(xiàn)率為權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)求和,可得到各種源紅花龍膽種子質(zhì)量的綜合得分,表達(dá)式F=40.535/79.632×F1+39.097/79.632×F2,由表6可知,綜合得分排名C4最高(1.772),C30最低(-1.437)。

表6 不同種源紅花龍膽種子質(zhì)量的綜合得分Table 6 Comprehensive score of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seed quality from different provenances

2.4 系統(tǒng)聚類分析

利用F1和F2特性因子得分對(duì)供試材料進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,當(dāng)閾值處于8時(shí)可將30個(gè)種源分成四類。從圖1可以看出,第Ⅰ類為綜合得分最高的的種源、種子特性得分最高、發(fā)芽特性得分一般,由C2、C4樣品組成;第Ⅱ類為綜合得分較高的的種源,發(fā)芽特性得分最高、種子特性得分一般,由C5、C13、C21和C22樣品組成;第Ⅲ類為綜合得分一般的種源,發(fā)芽特性得分一般,種子特性得分一般,由C1、C3、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29樣品組成;第Ⅳ類綜合得分最差,發(fā)芽特性得分最差,種子特性得分最差,由C30單獨(dú)組成。

圖1 紅花龍膽種子2項(xiàng)指標(biāo)系統(tǒng)聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 2 index systems of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seeds

3 結(jié)論與討論

3.1 單一品質(zhì)性狀評(píng)價(jià)紅花龍膽種子質(zhì)量

種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽天數(shù)、單莢種子數(shù)均值、千粒重、種子長(zhǎng)度、種子寬度、種莢長(zhǎng)度及種莢寬度等可作為評(píng)價(jià)種子質(zhì)量的指標(biāo),通過平均數(shù)加減標(biāo)準(zhǔn)差法比較種子質(zhì)量,指標(biāo)不同種子質(zhì)量就不同[14-15]。本研究結(jié)果表明,以種莢長(zhǎng)徑、種莢寬徑、種子長(zhǎng)徑、種子寬徑、千粒重、發(fā)芽率評(píng)價(jià)種子質(zhì)量,C4最好,而以發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)則C5最大,以發(fā)芽天數(shù)衡量則C22最好。

3.2 紅花龍膽種子質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)

本試驗(yàn)中,紅花龍膽種子特性指標(biāo)和發(fā)芽特性指標(biāo)之間相關(guān)性弱,優(yōu)良的種子既要發(fā)育充實(shí)、大而重,所含養(yǎng)分較多,又要較高的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率。因此,單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確對(duì)紅花龍膽的種子質(zhì)量進(jìn)行全面評(píng)價(jià),必須應(yīng)用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià),這與劉鈺萍等[16]和張帆等[17]認(rèn)為的基于主成分分析和聚類分析的綜合評(píng)價(jià)與單一指標(biāo)評(píng)價(jià)方法相比,更適合判斷事物內(nèi)在本質(zhì),更為科學(xué)、可行。性狀之間存在復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性,因此導(dǎo)致性狀間提供的信息出現(xiàn)相互重合,會(huì)對(duì)綜合評(píng)價(jià)造成干擾[18-20]。本研究所測(cè)定的 9 個(gè)紅花龍膽種子質(zhì)量指標(biāo)并不是完全獨(dú)立的,除了種莢長(zhǎng)徑外,各指標(biāo)間存在極顯著的相關(guān)性。在多指標(biāo)分析中,指標(biāo)的個(gè)數(shù)多,又有相互關(guān)聯(lián),分析工作比較困難,多元統(tǒng)計(jì)的主成分分析是指在不損失或很少損失原有信息的前提下,將原來個(gè)數(shù)較多而且彼此相關(guān)的指標(biāo)轉(zhuǎn)換為新的個(gè)數(shù)少而彼此獨(dú)立或不相關(guān)的綜合指標(biāo),從而簡(jiǎn)化多指標(biāo)分析,利用主成分進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)是一種有效的方法[21-22]。本研究利用比主成分分析更好解釋的因子分析,在剔除與其他指標(biāo)相關(guān)性弱的種莢長(zhǎng)徑指標(biāo)后,最終將確定8個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為彼此不相關(guān)的2個(gè)主因子,即種子特性因子、發(fā)芽特性因子,累積貢獻(xiàn)率達(dá)79.632%,對(duì)2個(gè)主因子進(jìn)行加權(quán)計(jì)算綜合得分后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析,系統(tǒng)聚類分析將30個(gè)種源分為四大類:第Ⅰ類種子綜合評(píng)價(jià)得分和種子特性得分最高,可作為發(fā)展紅花龍膽人工種植的首選種子來源,但該類群發(fā)芽特性不是最好的,可能和其自然成熟度有關(guān),可開展提升其發(fā)芽特性的研究;第Ⅱ類發(fā)芽特性得分最高,可作為紅花龍膽人工種植的備選種子來源;第Ⅲ類和第Ⅳ類種子,綜合評(píng)價(jià)得分、種子特性得分、發(fā)芽特性得分均一般,但是其抗逆性、結(jié)實(shí)率、藥材質(zhì)量等其他指標(biāo)未知,可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究。