基于主成分及聚類分析的遼寧省水稻品種品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)

中圖分類號(hào)：S511.2+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6737（2025）03-0001-07

Abstract Inordertostudythecomprehensivequaitydiferenceof39ricevarietiesinLiaoning Province，variationanalysis， corelationanalysis，principalcomponentanalysisandclusteranalysiswrecariedouton12qualityindexessuchasbrownrice rate.Theresultsshowedthatthereweredifferencesinqualitytraitsamongdiferentricevarieties，amongwhichthechalkiness was the most significant， the coefficient of variation was over 60% ，and the difference in processing quality was small. There were complexcorelationsamong the12qualityindexesTheresultsof principal componentanalysisshowedthatthecumulative contribution rate of the first six principal components reached 84.770% ，which could generalize most of the information of rice qualitytraitsandcouldbeused toevaluatethequalityofdiferentricevarieties.Thecomprehensiveevaluationresultsof subordinatefunctionshowedthatthecomprehensivescoresofYangeng-682，Liaogeng-8O2Yanhexiang-113，Yangeng-144and Beigeng-2O4werehigherTheresultsofclusteranalysisshowedthat39ricevarietiescouldbedividedinto4groups，andthe5 varieties with high comprehensive scores were distributed in the first group，and their ricequality was the best.

Key Words： Rice; Principal component analysis; Quality evaluation; Cluster analysis

我國(guó)稻米產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一，水稻單產(chǎn)處于世界領(lǐng)先水平。隨著國(guó)內(nèi)外水稻生產(chǎn)發(fā)展和人民生活水平不斷提高，市場(chǎng)對(duì)優(yōu)質(zhì)稻米的需求越來越大，人民對(duì)稻米品質(zhì)提出更高要求。稻米品質(zhì)是復(fù)雜的綜合性狀，既由品種遺傳特性決定，又受環(huán)境因素明顯影響[2-5]。隨著水稻品質(zhì)性狀測(cè)試技術(shù)和方法的豐富，水稻品質(zhì)指標(biāo)也隨之增多?？茖W(xué)有效地評(píng)價(jià)稻米綜合品質(zhì)，有助于推進(jìn)優(yōu)質(zhì)稻米產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推動(dòng)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，也能夠充分挖掘創(chuàng)制優(yōu)異的種質(zhì)資源，對(duì)提高稻米品質(zhì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

主成分分析（principal component analysis，PCA）是通過降維的方式排除眾多信息共存中相互重疊的信息，把多個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)不相關(guān)的綜合指標(biāo)的一種多元統(tǒng)計(jì)分析方法。近年來，主成分分析常用于多種農(nóng)作物的遺傳多樣性研究，如水稻、玉米、大豆等-。前人采用主成分分析對(duì)稻米品質(zhì)性狀進(jìn)行了大量的綜合評(píng)價(jià)。荊瑞勇等剔除不直接影響水稻品質(zhì)的粒長(zhǎng)和粒寬，選取與品質(zhì)直接相關(guān)的包括蛋白質(zhì)含量、食味評(píng)分等8個(gè)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，從中提取出3個(gè)主成分，用來反映品種品質(zhì)的綜合信息。馮瑩瑩等2對(duì)46份水稻品種包括食味評(píng)分值、米飯外觀、硬度等13個(gè)稻米品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，確定出4個(gè)主成分，篩選出優(yōu)質(zhì)水稻品種。姜珍珍等[3對(duì)159份滇型雜交粳稻保持系稻米R(shí)VA譜特征值進(jìn)行了主成分分析和聚類分析，篩選出在配組優(yōu)質(zhì)雜交粳稻及改良保持系時(shí)應(yīng)加強(qiáng)利用的材料。張曉繪等4以8種即食米飯的15個(gè)蒸煮特性和質(zhì)構(gòu)特性指標(biāo)作為依據(jù)，選取前3個(gè)主成分，對(duì)即食米飯品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并建立即食米飯品質(zhì)評(píng)價(jià)模型。徐清宇等[5為了評(píng)價(jià)不同顏色糙米品種的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)，對(duì)19個(gè)糙米品種的5項(xiàng)基本營(yíng)養(yǎng)成分、13種礦質(zhì)元素含量和9項(xiàng)活性物質(zhì)含量等27項(xiàng)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行比較分析，通過對(duì)稻米基本營(yíng)養(yǎng)成分和礦物質(zhì)等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取了6個(gè)主成分，對(duì)不同水稻品種進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)評(píng)價(jià)。以上研究表明，利用主成分及聚類分析對(duì)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，可通過降低數(shù)據(jù)維度從若干影響因素中解析出主要因素，從而簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)過程[16，17]。

本文選取2023年遼寧省水稻品種試驗(yàn)完成試驗(yàn)程序的39個(gè)粳稻品種，利用主成分分析和聚類分析，對(duì)加工品質(zhì)、外觀品質(zhì)、蒸煮食味品質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的12項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源挖掘、篩選及利用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與指標(biāo)測(cè)定

數(shù)據(jù)來源于 2021～2023 年遼寧省水稻品種試驗(yàn)匯總材料（表1）。稻米品質(zhì)統(tǒng)一由湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)技術(shù)研究所分析檢測(cè)。品質(zhì)分級(jí)采用農(nóng)業(yè)農(nóng)村部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T593-2021《食用稻品種品質(zhì)》。

1.2 綜合評(píng)價(jià)方法

結(jié)合隸屬函數(shù)法和主成分分析法對(duì)稻米品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。利用隸屬函數(shù)法對(duì)原始數(shù)據(jù)按照公式（1）將各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，將其轉(zhuǎn)化為0＼～1之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，得到隸屬函數(shù)值。

μ（xi）=（xi-xmin）/（xmax-xmin）

公式中： xi 為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的原始測(cè)定值（i=1，2，3，…，n） ： μ（xi） 為第i個(gè)綜合指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的隸屬函數(shù)值；xmin和xman分別代表所有參試樣品中第 i 個(gè)指標(biāo)的最小值和最大值。

綜合指標(biāo)權(quán)重按照公式（2）計(jì)算。

Wi=Ri/Σ（R1+R2+…+Ri）

公式中： Ri 表示主成分分析中得到的各稻米品質(zhì)第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率， WiΓ 表示第i個(gè)綜合指標(biāo)在全部綜合指標(biāo)中的權(quán)重。

水稻品種品質(zhì)綜合得分按照公式（3）計(jì)算。

公式中：D為不同水稻品種品質(zhì)的綜合得分。D值由各項(xiàng)綜合指標(biāo)累計(jì)計(jì)算所得，為不同水稻品種稻米品質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)值，可通過比較D值大小來評(píng)價(jià)各水稻品種稻米品質(zhì)的優(yōu)劣。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel2016統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，采用SPSS27數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行主成分分析和系統(tǒng)聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同水稻品種品質(zhì)性狀比較

從表2可知，堊白粒率、堊白度變異系數(shù)較大，分別為 68.67%.61.34% ，堊白粒率、堊白度變幅分別為 2.0%～38.0% 0.20%～5.50% ，說明品種間堊白性狀存在較大差異；加工品質(zhì)變異系數(shù)較小，糙米率、精米率、整精米率變異系數(shù)分別為1.61%.2.55%.3.72% ，說明品種間加工品質(zhì)差異較小。其余7項(xiàng)性狀指標(biāo)變異系數(shù)介于 5.05% ＼～15.61% 之間。12項(xiàng)品質(zhì)性狀指標(biāo)變異系數(shù)大小依次為：堊白粒率 gt; 堊白度 gt; 透明度 gt; 長(zhǎng)寬比 gt; 堿消值 gt; 粒長(zhǎng) gt; 膠稠度 gt; 蛋白質(zhì)含量 gt; 直鏈淀粉含量 gt; 整精米率 gt; 精米率 gt; 糙米率。

2.2不同水稻品種品質(zhì)性狀相關(guān)性分析

從表3可知，糙米率與精米率、整精米率呈顯著以上正相關(guān)，與粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比呈顯著以上負(fù)相關(guān)；精米率與整精米率呈極顯著正相關(guān)，與粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比呈顯著負(fù)相關(guān)，與蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)；整精米率與粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比呈顯著負(fù)相關(guān)，與蛋白質(zhì)含量呈顯著正相關(guān);粒長(zhǎng)與長(zhǎng)寬比呈極顯著正相關(guān)；長(zhǎng)寬比與透明度、直鏈淀粉含量呈顯著正相關(guān)；堊白粒率與堊白度呈極顯著正相關(guān)，與堿消值呈極顯著負(fù)相關(guān)；堊白度與堿消值呈極顯著負(fù)相關(guān)；膠稠度與直鏈淀粉含量呈顯著負(fù)相關(guān)。12項(xiàng)品質(zhì)指標(biāo)間存在復(fù)雜的相關(guān)性，說明不能使用某一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)直接準(zhǔn)確評(píng)價(jià)品種品質(zhì)的優(yōu)劣。

2.3不同水稻品種品質(zhì)性狀主成分分析

品質(zhì)性狀中堊白粒率、堊白度、透明度3個(gè)指標(biāo)與水稻品質(zhì)負(fù)相關(guān)，因此將其取倒數(shù)后進(jìn)行主成分分析。結(jié)合表4、表5、圖1可知，前6個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到 84.770% ，能夠概括稻米品質(zhì)性狀大部分信息，可以用來綜合評(píng)價(jià)不同水稻品種品質(zhì)。第1主成分的特征值為3.499，方差貢獻(xiàn)率為 29.158% ，其中糙米率、精米率、整精米率、粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比具有較大的載荷。第2主成分的特征值為1.965，方差貢獻(xiàn)率為 16.374% ，其中堊白粒率、堊白度具有較大的載荷。第3主成分和第4主成分方差貢獻(xiàn)率分別為 13.767%.11.040% ，主要綜合了透明度、膠稠度。第5主成分和第6主成分方差貢獻(xiàn)率分別為 7.673%.6.758% ，在直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量、堿消值上有較大載荷。

2.4不同水稻品種品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)

由表6可知，不同水稻品種品質(zhì)性狀的所有綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值不盡相同，對(duì)于同一綜合指標(biāo)而言，鹽粳144的 μ（x1） 值最大，為1，說明鹽粳144在PC1綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最好，而鐵粳香3號(hào)的 μ（x1） 值最小，為0，說明鐵粳香3號(hào)在PC1綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最差；北粳204的 μ （x2） 值最大，為1，說明北粳204在PC2綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最好，而遼優(yōu)1537的 μ（x2） 值最小，為0，說明遼優(yōu)1537在PC2綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最差；源稻香7號(hào)的 μ（x3） 值最大，為1，說明源稻香7號(hào)在PC3綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最好，而鹽粳196的 μ（x3） 值最小，為0，說明鹽粳196在PC3綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最差；鐵粳香3號(hào)、天隆粳721、鹽粳239分別在PC4、PC5、PC6綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最好，而鹽粳239、沈稻536、遼優(yōu)1537分別在PC4、PC5、PC6綜合指標(biāo)上表現(xiàn)的品質(zhì)最差。利用公式（3）計(jì)算出不同水稻品種品質(zhì)的綜合得分D值并進(jìn)行排序，39份水稻品種稻米品質(zhì)的綜合得分前5名的分別是：鹽粳682、遼粳802、鹽禾香113、鹽粳144、北粳204。

采用組間聯(lián)接法對(duì)表6綜合得分進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析并建立樹狀圖（圖2），在歐氏距離為5處，可將39份水稻品種品質(zhì)分為4大類。其中，第I類材料包括5個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的

12.82% ，為北粳204、鹽粳144、遼粳802、鹽禾香113、鹽粳682，其稻米品質(zhì)最優(yōu)。第Ⅱ類材料包括18個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 46.15% ，為沈稻336、玉隆粳1號(hào)、北粳203、沈農(nóng)516、美鋒稻

357、鹽粳501、天隆粳234、鐵粳1808、鹽粳香568、盤鹽星稻、鹽粳284、沈稻523、友新稻625、十新稻344、天隆粳721、北粳255、遼粳1922、天隆優(yōu)2800，其稻米品質(zhì)較優(yōu)。第Ⅱ類材料包括13個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 33.33% ，為遼84優(yōu)24、粳優(yōu)9306、隆粳香9號(hào)、鐵粳1811遼粳226、盤粳50、丹粳15、港優(yōu)20、遼優(yōu)66、沈稻536、遼優(yōu)858、源稻香7號(hào)、鐵粳香3號(hào)，其稻米品質(zhì)中等。第V類材料包括3個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的7.69% ，為鹽粳196、遼優(yōu)1537、鹽粳239，其稻米品質(zhì)較差。

3 結(jié)論與討論

本研究的39個(gè)品種12項(xiàng)品質(zhì)性狀指標(biāo)變異系數(shù)大小依次為：堊白粒率 gt; 堊白度 gt; 透明度 gt; 長(zhǎng)寬比 gt; 堿消值 gt; 粒長(zhǎng) gt; 膠稠度 gt; 蛋白質(zhì)含量 gt; 直鏈淀粉含量 gt; 整精米率 gt; 精米率 gt; 糙米率。陳重遠(yuǎn)等對(duì)30個(gè)稻資源品質(zhì)性狀進(jìn)行差異性分析，結(jié)果表明不同水稻品種資源對(duì)堊白度、堊白粒率的影響最大，對(duì)精米率、糙米率的影響最小。馮瑩瑩等對(duì)46份北方粳稻品種品質(zhì)性狀進(jìn)行分析，認(rèn)為所研究粳稻品種對(duì)直鏈淀粉含量、糙米率、精米率影響較小，對(duì)堊白粒率影響最大。以上研究與本研究結(jié)論基本一致，粘稻和粳稻同樣存在品種間堊白性狀差異較大的問題，而加工品質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，說明水稻優(yōu)質(zhì)育種應(yīng)加強(qiáng)改良堊白性狀。

本研究主成分分析中提取前6個(gè)PC，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到 84.770% ，可較好反映水稻品質(zhì)的綜合信息。PC1主要綜合了加工品質(zhì)和粒長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比；PC2主要綜合了堊白粒率、堊白度；PC3、PC4主要綜合了透明度、膠稠度；PC5、PC6主要綜合了直鏈淀粉含量、蛋白質(zhì)含量和堿消值。利用隸屬函數(shù)法對(duì)39個(gè)水稻品種品質(zhì)進(jìn)行優(yōu)劣排序，綜合得分前5名的水稻品種分別是：鹽粳682、遼粳802、鹽禾香113、鹽粳144、北粳204。通過聚類分析將品種分為4大類，第I類材料包括北粳204、鹽粳144等5個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 12.82% ，其稻米品質(zhì)最優(yōu)。第Ⅱ類材料包括沈稻336、玉隆粳1號(hào)等18個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 46.15% ，其稻米品質(zhì)較優(yōu)。第Ⅱ類材料包括遼84優(yōu)24、粳優(yōu)9306等13個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 33.33% ，其稻米品質(zhì)中等。第V類材料包括鹽粳196、遼優(yōu)1537等3個(gè)品種，占供試材料總數(shù)的 7.69% ，其稻米品質(zhì)較差。此結(jié)論可為優(yōu)質(zhì)水稻品種篩選及利用提供參考。

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（責(zé)任編輯：王丹）