基于主成分分析與聚類分析的黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的綜合評價

陳 璐，廖光聯，楊 聰，黃春輝，鐘 敏，陶俊杰，曲雪艷，徐小彪

(江西農業大學農學院/獼猴桃研究所，江西南昌330045)

獼猴桃(Actinidiaspp.)屬于獼猴桃科(Actinidiaceae)獼猴桃屬(ActinidiaLindl)植物，是一種漿果類落葉的多年生藤本植物[1]。獼猴桃果實風味獨特，營養豐富，含有豐富的抗氧化性物質和人體所必需的氨基酸以及礦物質等營養成分，具有較高的經濟和保健價值，廣受消費者青睞，已被譽為“水果之王”。目前市場上銷售的獼猴桃按成熟時果肉顏色分類，可分為綠色、黃色和紅色[2]，且多為綠肉品種，黃肉和紅心的獼猴桃品種相對較少。果實品質是獼猴桃生產中最重要的經濟因素，果實品質的優劣直接影響其經濟價值。隨著人們生活水平和消費水平的不斷提高，消費者對獼猴桃品種多樣化和果實品質也越來越重視，因此生產優質具特異性狀的獼猴桃是目前急需解決的問題。

獼猴桃果實品質分為果實外觀品質與內在品質，各品質指標在果實評價方面主次區分不明顯。1933年主成分分析被首次提出，由于多個變量之間都存在著相關性，通過將原來的變量重新線性組合成若干個互不相關的綜合指標來代替原來的變量，并盡可能提取原來變量的信息來解釋原有變量的協方差結構，即通過原來變量的少數幾個線性組合來解釋原來變量以實現降維的多元統計方法[3]，不僅保留了絕大部分信息，且主成分間相互獨立，避免信息重復[4]，同時具備較強的代表性，增加了分析的可信度[5]。近年來，許多學者采用主成分分析法對棗[6]、獼猴桃[7-8]、蘋果[9-10]、楊梅[11]、南豐蜜桔[12]、葡萄[13]、藍莓[14]、草莓[15]和杏[16]等果實品質進行了分析和綜合評價。而聚類分析是在不刪減信息的前提下，根據一批樣品的多個觀測指標，具體找出一些能夠度量樣品或指標間相似程度的統計量，以這些統計量為劃分類型的依據，把一些相似程度較大的樣品聚為一類[17-18]。利用主成分分析法與聚類分析相結合的綜合評價方法廣泛地用于果實品質評價，如南豐蜜桔[19]、夏橙[20]、獼猴桃[21]、蘋果[22]和桃[23]等果樹的綜合品質評價。然而，有關黃肉獼猴桃品種(系)的綜合評價尚未見報道。據此，作者以江西省奉新縣引進及選育的21個黃肉獼猴桃品種(系)為試材，通過測定其果形指數、單果質量、可溶性固形物、干物質、可溶性糖、可滴定酸、維生素C、類胡蘿卜素、固酸比和糖酸比等主要果實性狀，運用主成分分析法與聚類分析共同構建一個科學合理的黃肉獼猴桃果實品質評價體系，可為黃肉獼猴桃種質創新與品種改良提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料采自江西省奉新縣獼猴桃研究所資源圃，選擇奉新縣目前引進栽培的‘廬山香’、‘云海1號’、‘怡香’、‘早鮮’、‘魁蜜’、‘金豐’、‘華優’、‘翠玉’、‘金什1號’、‘金桃’、‘金艷’和‘金果’12個品種，以及近年來在江西省境內篩選的9個黃肉獼猴桃優良品系，分別是‘宜黃1號’(YH-1)、‘宜黃2號’(YH-2)、‘奉黃1號’(FH-1)、‘奉黃2號’(FH-2)、‘奉黃3號’(FH-3)、‘奉黃4號’(FH-4)、‘武寧1號’(WN-1)、‘武寧2號’(WN-2)和‘武寧3號’(WN-3)，供試的21個黃肉獼猴桃品種(系)均屬于中華獼猴桃(ActinidiachinensisPlanch)。供試材料為本砧6年生，水平大棚架栽培，土壤為沙壤土，地勢平坦，土壤較肥沃。每個品種(系)選用長勢相對一致的3棵樹作為試驗用樹，單株小區，3次重復。在果實生理成熟期(SSC達7.5%)分期采集果樣。隨機采取獼猴桃樹體東、西、南、北4個方向的果實共60個，立即運回實驗室進行樣品處理。

1.2 試驗方法

成熟期果實采回來立即用電子天平稱量單果質量，游標卡尺測定果形指數，其他果實性狀指標待果實樣品在室溫下自然軟熟后，即果實硬度達到1.0 kg/cm2左右時測定內在品質。可溶性固形物含量(SSC)用ATAGO(PAL-1)手持數顯式糖度計測定[24]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[25]，可滴定酸含量(TA)采用NaOH中和滴定法測定(以檸檬酸含量表示，系數0.07)[25]，維生素C含量采用2,6 - 二氯靛酚法測定[26]，類胡蘿卜素含量用分光光度計進行測定，烘干法測其干物質含量。

1.3 數據處理

利用Excel 2010對數據進行整理和前處理，利用SPSS 20.0對測定數據進行單因素方差分析、主成分分析以及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的分析

采用Duncan法對21個黃肉獼猴桃品種(系)果實主要性狀進行差異分析，從表1中可以了解到黃肉獼猴桃果實品質指標在不同品種(系)間的基本關系，結果顯示不同黃肉獼猴桃品種(系)果實的果形指數、單果質量、可溶性固形物含量、干物質、可溶性糖、可滴定酸、維生素C和類胡蘿卜素在0.05的顯著水平上存在著一定的差異性。

所測的21個黃肉獼猴桃品種(系)果實果形指數在0.91～1.51變化，最大的是‘金桃’，最小的是‘怡香’。單果質量在46.90～122.73 g變化，最大的是‘YH-2’(122.73 g)，最小的是‘WN-2’(46.90 g)，變化范圍較大。‘WN-2’的可溶性固形物含量、干物質含量和可溶性糖含量均顯著高于其他品種(系)，分別是21.97%、20.03%和15.33%。其中可溶性固形物含量與可溶性糖最低的均為‘金豐’，干物質含量最低的是‘金桃’。可滴定酸的變化范圍為0.88%～1.76%，最高的是‘FH-2’，最低的是‘云海1號’。高維生素C含量是獼猴桃的一大特點，就維生素C含量而言，‘怡香’的維生素C含量為15.398 mg/kg，顯著高于其他品種(系)；而‘云海1號’的維生素C含量(3.757 mg/kg)顯著低于其他品種(系)。類胡蘿卜素含量在0.014～0.046 mg/kg變化，含量最高的是‘怡香’，最低的是‘云海1號’。固酸比在6.90～20.28變化，最高的是‘云海1號’，最低的是‘金豐’。糖酸比在2.50～15.76變化，最大值約是最小值的6倍，差異很大，其中最高的是‘廬山香’、最低的是‘金豐’。通過對這10個主要果實性狀的分析，說明各指標在不同品種(系)間存在著顯著差異，也體現了黃肉獼猴桃的遺傳多樣性。

21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的變異分析見表2。變異系數反映的是物種進化保守性或遺傳可塑性方面的不同差異程度[27]。根據21個黃肉獼猴桃品種(系)的果實主要性狀的變異分析結果顯示，不同果實性狀的變異系數變化范圍較大。其中變異系數最大的是維生素C(37.88%)，其次是糖酸比、固酸比、類胡蘿卜素、可溶性糖、單果質量、可滴定酸、干物質含量和可溶性固形物，果形指數的變異系數最小(13.45%)，說明不同黃肉獼猴桃的果實品質存在很大差異，且變異范圍廣。

表1 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的差異分析

表內同列數字后不同英文字母表示差異達到顯著水平，P≤0.05

Different letters in the same column indicate significant difference，P≤0.05

綜合對不同黃肉獼猴桃果實品質的變異分析和單因素方差分析可知，不同品種(系)的果實品質存在很大的差異，說明不同獼猴桃品種(系)間的遺傳變異豐富、變異范圍廣。然而，由于測定果實性狀指標較多，測定的各指標體現著不同方面的果實品質，且存在著不同程度的相關性，果實品質的綜合評價在方差分析中難以體現，需要對其進行綜合品質分析與評價。

表2 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀變異分析

2.2 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的主成分分析

根據試驗實際情況選取了果形指數、可溶性固形物、可溶性糖、干物質、可滴定酸、維生素C、類胡蘿卜素、糖酸比和固酸比共9個果實性狀因子作為主成分分析的評價指標。通過SPSS 20.0進行主成分分析，

表3 9個主成分的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率

9個主成分的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率如表3所示，前3個主成分(特征值>1.0)的累計貢獻率達到79.12%，即前3個主成分能代表所測定黃肉獼猴桃果實79.12%的信息量，解釋了絕大部分的原始信息。由各特征向量值和貢獻率可以得出，第1主成分的貢獻率最大，達到了42.508%，特征值為3.826，主要由糖酸比、固酸比、可溶性糖、可溶性固形物、維生素C和可滴定酸決定；第2主成分的貢獻率為20.344%，特征值為1.831，主要由可滴定酸、果形指數和干物質含量決定；第3主成分的貢獻率為16.269%，特征值為1.464，主要由類胡蘿卜素和維生素C決定。其中維生素C在第1、3主成分中出現，可滴定酸在第2、3主成分中出現。

2.3 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的綜合評價

利用SPSS 20.0進行主成分分析，得到各樣品的主成分分值，同時參考劉科鵬等[28]提出的計算方法得出綜合分值Dn。以所選主成分對應的貢獻率占所提取的3個主成分的貢獻率總和的比例為權重，計算各樣品前3個主成分的分值與相應權重的乘積累加，得到綜合分值Dn，以此來評價不同黃肉獼猴桃綜合品質的優劣。綜合評價得分(Dn)=F1×0.537 3 +F2×0.257 1+F3×0.205 6。

從綜合品質性狀上看，綜合分值Dn越高，綜合品質表現越好。不同黃肉獼猴桃的主成分得分及綜合評價的分析結果顯示(表4)，其中綜合分值排名前5位的分別為‘WN-2’、‘云海1號’、‘廬山香’、‘華優’和‘金果’，說明這幾個品種的綜合品質表現較好；‘YH-2’、‘FH-1’、‘FH-3’、‘魁蜜’、‘翠玉’、‘WN-3’、‘怡香’、‘早鮮’、‘WN-1’和‘金艷’得分居中，表現一般；而‘金桃’、‘金什1號’、‘FH-4’、‘YH-1’、‘金豐’得分較低，說明其在奉新地區綜合表現較差。

表4 不同黃肉獼猴桃的主成分得分及綜合評價

2.4 21個黃肉獼猴桃品種(系)主要果實性狀的聚類分析

圖1 不同黃肉獼猴桃主要果實性狀的聚類分析Fig.1 Cluster analysis diagram on main fruit characters of different yellow flesh kiwifruit

基于21個黃肉獼猴桃品種(系)的9個果實性狀指標，利用SPSS 20.0進行數據標準化之后，采用Ward法進行系統聚類分析并繪制樹狀圖。由聚類結果可知，‘FH-4’、‘金什1號’、‘金豐’、‘FH-4’、‘金什1號’和‘金豐’在歐式距離為15時被首先分離出來，因其可滴定酸含量很高和糖酸比很低，與其他品種相差甚大，因此單獨分為一類。在歐氏距離5處，21個黃肉獼猴桃品種(系)被進一步細分成了6類。第Ⅰ類包括‘華優’、‘金果’和‘WN-2’，這一類聚集了可溶性固形物、干物質含量和可溶性糖含量最高與干物質、糖酸比、固酸比和類胡蘿卜素含量較高的品種。第Ⅱ類包括‘YH-2’、‘云海1號’和‘廬山香’，這一類聚集了固酸比最高、可滴定酸最低與干物質含量、可溶性糖和糖酸比較高的品種。第Ⅰ類和第Ⅱ類的聚類結果與主成分分析綜合評價得分排在前面的品種基本一致，果實品質相對較好。第Ⅲ類包括‘WN-3’、‘金艷’、‘FH-1’和‘FH-2’，聚集了可溶性糖和可滴定酸較高、維生素C含量較低的品種。第Ⅳ類包括‘早鮮’、‘金桃’、‘FH-3’和‘翠玉’，這一類聚集了維生素C含量、類胡蘿卜素含量和糖酸比較高的品種。第Ⅴ類聚集了‘YH-1’、‘WN-1’、‘魁蜜’和‘怡香’，這一類聚集了果形指數較小、維生素C含量和可滴定酸較高與可溶性固形物和糖酸比較低的幾個品種。第Ⅵ類包括‘FH-4’、‘金什1號’和‘金豐’，這一類聚集了果形指數較大、可滴定酸含量較高與維生素C含量和糖酸比較低的品種。第Ⅴ類和第Ⅵ類的聚類結果與主成分分析綜合評價得分排在后面的品種基本一致，果實品質相對較差。

3 結論與討論

主成分分析法是從特征向量和累計貢獻率大小來決定主成分的組成因子，而聚類分析是根據果實性狀的相似性測度來區分評價因素的類別，將兩者結合分析能夠更科學地評價果實品質[29]。獼猴桃果實品質主要包括果形指數、單果質量、糖、酸、維生素C、干物質等指標，正是這些獨立又相關的品質指標共同構成了獼猴桃果實的獨特風味。由于品質指標的量綱對評價體系的影響不一樣，在對數據進行分析時往往需要對原始數據進行處理或轉化[30]。劉科鵬等[28]和馬慶華等[31]在對獼猴桃和冬棗的綜合評價中，采用隸屬函數法對數據進行轉化。但目前對于綜合評價的果實性狀的分類還缺少統一的標準[32]，還有待繼續完善果實評價體系。由于SPSS在進行主成分分析時已嵌有標準化過程，進行主成分分析時不需要對變量進行標準化處理[33]，因此在本研究中對原始數據未進行轉化；而聚類分析中若參與聚類的變量的量綱不同則會得到錯誤的結果，因此在聚類分析前對變量值進行了標準化。

本研究的試驗結果顯示，不同品種(系)的黃肉獼猴桃的主要果實性狀存在較大差異，除單果質量外，其他結果與付隆生等[21]對‘海沃德’的研究結果一致，由于試驗樣品來自不同品種，因此在本研究中單果質量方面的結論不一致。本試驗結果與袁華玲等[34]對黃肉獼猴桃‘金艷’、‘金果’和‘金桃’的果實品質研究結果有所差異，可能是由于地理環境和生長環境的不同而導致。果實品質變異分析中，維生素C的變異系數最大(37.88%)，變異系數最小的是果形指數(13.85%)。通過主成分分析，對21個黃肉獼猴桃品種(系)果實的主要性狀指標進行綜合和簡化，從9個指標中提取的3個主成分的累計貢獻率達到79.121%，反映了絕大多數的原始信息，這3個主成分可代替9個果實性狀進行分析。利用權重線性加權求和的方法對這3個主成分的得分進行累加，在客觀上反映了不同果實品質的綜合情況，綜合得分由高到低依次為‘WN-2’‘云海1號’‘廬山香’‘華優’‘金果’‘YH-2’‘FH-1’‘FH-3’‘魁蜜’‘翠玉’‘WN-3’‘怡香’‘早鮮’‘WN-1’‘金艷’‘金桃’‘金什1號’‘FH-4’‘YH-1’‘金豐’。21個黃肉獼猴桃品種(系)在歐氏距離5處分成6類，將關系近的聚成一小類，關系遠的聚成一大類，其聚類結果在一定程度上反映了各果實性狀在不同品種間存在較大差異。根據主成分分析綜合評分與聚類分析結果的比較，聚類分析與主成分分析綜合得分排名對21個黃肉獼猴桃品種(系)分類的判定結果較為一致，這也表明利用主成分分析和聚類分析可以進行果實品質的綜合評價。

前人在利用主成分分析對果實進行綜合評價方面有許多相關的研究報道，劉科鵬等[28]、李偉等[35]利用主成分分析法分別建立了‘金魁’獼猴桃、楊梅的果實品質綜合評價體系。倪志華等[12]、張海英等[20]和雷瑩等[23]采用主成分分析和聚類分析分別對南豐蜜桔、桃和夏橙果實的品質指標進行簡化。由于考慮到本研究中針對主要果實性狀進行分析，指標不夠全面，果實品質性狀綜合評價還應考慮其產量、抗逆性、適應性、耐貯性等，后續還需進行更全面、更深入的研究，因此本文中不進行品質指標的簡化提取。果實品質除了受品種(系)本身遺傳特性影響外，還可能受其成熟期、倍性以及生長環境與原始生長環境差異的影響。本文通過對果實品質各性狀指標的差異分析、主成分分析和聚類分析，對不同品種(系)的黃肉獼猴桃果實品質進行綜合評價，構建黃肉獼猴桃的果實品質綜合評價體系，可為合理開發利用黃肉獼猴桃種質資源以及引種栽培奠定理論基礎。