杏雜交后代果實經濟性狀的主成分分析與聚類分析研究

武曉紅，陳雪峰，景晨娟，趙習平

(河北省農林科學院 石家莊果樹研究所，河北 石家莊 050061)

杏原產我國，現已成為世界性水果之一[1]。隨著人們對杏品質的要求越來越高，品種改良成為果樹科研工作者的一項重要任務。雜交育種由于其技術簡便易行，成效顯著，育種者可以有目的地選擇親本，再從雜種后代中選育目標新品種，是最常用的育種手段[2]。我國從20世紀80年代才開始進行有目的的杏雜交育種工作，起步較晚，但已成功選育出一系列新品種[3-6]。雜交后代果實的評價是雜交育種中的一項重要步驟，傳統分類方法主要依據個別明顯特征進行人為分類，存在著考察性狀少、主觀因素多、忽略數量性狀等局限性，分類結果不盡合理[7]。影響果實品質的因子很多，而且各因子之間存在密切的相關性和相對獨立性，給綜合評價帶來了一定的難度[8]。因此，研究如何科學并快速地評價杏雜交后代果實，對杏雜交育種工作有著重要意義。

主成分分析和聚類分析可以簡單地處理大量冗長的數據，實現精度較高的定量分析。因此，已有學者在蘋果[9，10]、梨[8]、桃[11]、甜瓜[12]、柑橘[13，14]、核桃[15]、榛子[16]、橄欖[17]等樹種上對果實品質進行了分析與評價。在杏上，王佳等對48 個不同杏品種的10 個數量性狀進行主成分分析和聚類分析，表明前4個指標的累積方差貢獻率可達到87%以上，可以反映10個相關性狀的主要信息，并根據綜合主成分值對48個杏品種進行排名，排名結果與實際的表現一致；根據計算出的主成分值，48個杏品種可聚為四大類[18]。郭寶林等[19]應用主成分分析法，對仁用杏9個品種的主要經濟性狀進行分析，認為主成分分析法對仁用杏主要經濟性狀綜合評選比優良性狀打分評優科學、簡便，為仁用杏優良品種選擇提供了理論依據。樊丁宇等[20]對58個新疆杏品種的10個果實品質指標進行了主成分分析和聚類分析，最終將10個主要品質指標簡化為6個具有代表性的指標。前人均是對杏種質資源果實品質進行評價與分析，運用聚類分析和主成分分析方法評價杏雜交后代果實經濟性狀的研究還未見報道。本研究以金太陽×串枝紅正反交后代實生苗為試材，對其果實的主要經濟性狀進行調查，通過主成分分析和聚類分析對雜交果實的經濟性狀進行綜合評價，旨在為評價杏雜交后代果實經濟性狀提供科學依據，為杏雜交育種研究提供幫助。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為金太陽×串枝紅正反交后代實生苗，于2011年雜交，2012年播種，2013年定植于河北省農林科學院石家莊果樹研究所杏雜種實生苗圃，株行距1 m×1 m×2 m，2015年雜交實生苗全部結果，2016年對200株雜交實生苗果實進行經濟性狀調查。于雜交實生苗果實不同成熟期進行采樣，分別從每株樹體東、南、西、北4個方位中部外圍果枝采摘均勻一致的果實10個，將樣品果帶回實驗室后立即進行各個指標的測定。

1.2 試驗方法

測定指標有果實發育期、單果重、可溶性固形物、去皮硬度、果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果實內質評價、韌性和香氣。按照《杏種質資源描述規范和數據標準》[12]執行。果實發育期：盛花期至果實成熟期所經歷的天數(d)；單果重：電子天平測定10個果實的重量(g)，求平均值；去皮硬度:用FHT-05型果實硬度計測量10個果實的硬度(kgf)，求平均值；可溶性固形物含量：用ATAGO牌PAL-1型數顯糖度儀測量10個果實的可溶性固形物含量(%)，求平均值；果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果肉內質評價、韌性和香氣等質量性狀，根據育種目標進行賦值。

1.3 數據處理

本文評價杏雜交果實經濟性狀所涉及到的果實發育期為負指標，取其倒數將其轉化為正向指標。以果實發育期、單果重、去皮硬度、可溶性固形物、韌性、果實外觀、果肉內質評價、香氣、果皮底色和果實蓋色構建數據矩陣，當各變量的單位不相同，或者單位相同但變量間的數值大小相差較大時，需將各原始變量做標準化處理。應用Excel 2007和IBM SPSS Statistics 19 統計軟件對數據進行分析。

2 結果與分析

2.1 數據標準化處理與性狀間的相關性分析

對200株金太陽×串枝紅正反交后代實生苗果實的發育期、單果重、可溶性固形物含量、去皮硬度、果皮底色、果實蓋色、果實外觀、果肉內質評價、韌性和香氣10個經濟性狀進行測定，將各性狀的測定值進行標準化處理，并進行相關性分析。

從表1可以看出，果實發育期與單果重呈極顯著負相關(P<0.01)，與去皮硬度、韌性和果肉內質評價呈極顯著正相關(P<0.01)，與果實外觀和果皮底色呈顯著正相關(P<0.05)；單果重與可溶性固形物、韌性和果肉內質評價呈極顯著負相關(P<0.01)，與果皮底色呈極顯著正相關(P<0.01)，與去皮硬度呈顯著負相關(P<0.05)；去皮硬度與可溶性固形物含量呈極顯著負相關(P<0.01)，與韌性呈極顯著正相關(P<0.01)，與果肉內質評價呈顯著正相關(P<0.05)；可溶性固形物與韌性和果皮底色呈極顯著負相關(P<0.01)；韌性與果肉內質評價呈顯著正相關(P<0.05)；果實外觀與果皮底色和果實蓋色呈極顯著正相關(P<0.01)。由此可見，測定的10個性狀之間存在不同程度的相關性，存在信息重疊現象，這就需要對測定的性狀進行簡化和歸類，提高杏雜交后代果實經濟性狀評價的效率。

表1 杏雜交后代果實經濟性狀間的相關系數

注：**表示相關性極顯著(P<0.01)；*表示相關性顯著 (P<0.05)。

2.2 杏雜交后代果實經濟性狀評價因子的主成分分析

經主成分分析得到10個主成分的特征向量、特征值、貢獻率和累積貢獻率(表2)。按照累積貢獻率≥85%的標準選取主成分，前7個主成分的累積貢獻率可達到88.305%，故選取前7個主成分的特征值，使它們能夠較全面地反映出原來10個性狀評價指標的主要信息。第1主成分中果實發育期、去皮硬度、韌性和果肉內質評價的特征向量較大，單果重特征向量的絕對值較大，第1主成分綜合了大量的杏雜交后代果實經濟性狀信息，反映了果實的發育期、果實大小、果實硬度和果實肉質。第2主成分中果實外觀和果實蓋色的特征向量較大，反映了果實的外觀和彩色。第3主成分中單果重和果皮底色的特征向量較大，可溶性固形物特征向量的絕對值較大，反映了果實大小、果實色澤以及果實的風味。第4主成分中香氣的特征向量較大，反映了果實的香氣。第5主成分中果實發育期、果皮底色的特征向量較大。第6主成分中果肉內質評價的特征向量較大。第7主成分中單果重、可溶性固形物的特征向量較大。以上7個主成分涵蓋了原有的10個果實經濟性狀的全部信息，可用來作為評價杏雜交后代果實經濟性狀的綜合指標。

單果重同時出現在第1、第3和第7主成分中，果實發育期同時出現在第1和第5主成分中，可溶性固形物同時出現在第3和第7主成分中，果皮底色同時出現在第3和第5主成分中，果肉內質評價同時出現在第1和第6主成分中，去皮硬度和韌性只出現在第1主成分中，果實外觀和果實蓋色只出現在第2主成分中，香氣只出現在第4主成分中。主成分分析結果表明，單果重、果實發育期、可溶性固形物、果皮底色和果肉內質是決定杏雜交后代果實經濟性狀的主要成分。

表2 10個主成分的特征向量、特征值、貢獻率及累計貢獻率

2.3 杏雜交后代果實經濟性狀評價因子的聚類分析

對表2中前7個主成分的各個特征向量，采用組間聯接平均歐氏距離法進行系統聚類。從圖1可以看出，在距離為15時可劃分為6個類別。果實外觀和果實蓋色聚為一類；單果重與果皮底色聚為一類；去皮硬度與韌性首先聚為一類，之后與果實發育期聚為一類；果肉內質、可溶性固形物和香氣各為一類。聚為一類的果實品質指標之間具有密切的相關性，可選用1個因子代表其他因子，予以簡化，單獨為一類的品質因子具有相對的獨立性[10]。綜合主成分分析和聚類分析結果，可將杏雜交后代果實經濟性狀評價指標簡化為：果實外觀、單果重、果實發育期、果肉內質評價、可溶性固形物、香氣。

圖1 10個果實經濟性狀評價因子的聚類分析圖

2.4 基于果實經濟性狀的杏雜交后代聚類分析

通過10個果實經濟性狀，對200株杏雜交后代采用組間聯接平均歐氏距離法進行系統聚類。從圖2可以看出，在距離為5時，可以劃分為9類。第1類僅1個單株；第2類有2個單株；第3類有2個單株；第4類有2個單株，第5類有1個單株；第6類有3個單株；第7類有5個單株；第8類有8個單株；第9類有176個單株。

對杏雜交后代9個不同類群的果實經濟性狀進行分析(表3)，第1類群的香氣值為0.9，大于整個群體的平均值0.51，以及其他幾個類群的，定義第1類群為果實香氣濃郁類；第2類的韌性值僅為0.5，低于整個群體及其他幾個類群的平均值，將第2類群定義為果肉韌性極低類；第3類群的果實外觀、果肉內質和果實蓋色值分別達到了0.97、0.96和0.90，大于其他幾個類群的平均值以及整體類群的平均值，且果實發育期最短，為62.5 d，定義第3類群為綜合性狀優良類；第4類群的單果重、果實外觀及果實蓋色均低于其他幾個類群，分別為43.69、0.50和0.20，將第4類群定義為小果外觀差類；第5類群的去皮硬度和果肉韌性最大，分別達到了8.79 kgf和0.93，將第5類群定義為高硬度高韌性類；第6類群的單果重最大，達到了104.08 g，將第6類群定義為大果類；第7類群的果皮底色值較大，為0.88，將第7類群定義為果皮底色優良類；第8類群的果實可溶性固形物含量最高，為17.27%，將第8類群定義為高可溶性固形物類；第9類群體數量最大，10個果實經濟性狀值在9個類群中均居中，將第9類群定義為平庸類。

從表3還可以看出，10個果實經濟性狀指標的變異系數大小為：單果重>果實發育期>可溶性固形物>去皮硬度>果實蓋色>韌性>果皮底色>果實外觀>果肉內質評價>香氣，杏雜交后代果實的平均單果重變異程度最大，為13.47%，果實發育期次之，為7.64%，說明這兩個性狀在杏雜交后代果實中呈現廣泛分離，遺傳多樣性較豐富；而香味性狀變異系數最小，僅為0.04%，表現很集中，說明香味具有較為穩定的遺傳性。

圖2 基于果實經濟性狀的200株杏雜交后代聚類分析圖

3 討論與小結

評價因子的確定是正確進行品質評價的基礎，在現有果品的評價中，評價因子的選擇決定著評價的效果[16]。本研究中用于評價杏雜交后代果實經濟性狀的10個因子之間既存在相關性又有相對的獨立性，科學地選擇評價因子才能對果實的經濟性狀做出正確的評價。主成分分析是將多個性狀指標經正交變換轉化為較少個數的綜合指標，而這些綜合指標彼此既互不相關， 又能綜合反映原來多個性狀指標的主要信息，并使得前幾個主成分體現原來變量絕大部分的變異，對供試材料貢獻率最大[22，23]。本研究對評價杏雜交后代果實經濟性狀的10個指標進行主成分分析，提煉歸納為7個主成分，保留了原始變量88.305%的信息量。聚類分析法反映了品質或因子之間相關或偏相關程度的大小[12]，本研究將7個主成分各特征向量進行聚類分析，在距離為15時可劃分為6類。結合主成分分析和聚類分析，可將杏雜交后代果實經濟性狀評價指標簡化為6個，即果實外觀、單果重、果實發育期、果肉內質評價、可溶性固形物、香氣，簡化了杏雜交后代果實經濟性狀評價指標。

表3 杏雜交后代不同類群的果實經濟性狀表現

聚類分析是應用多元統計分析原理研究分類問題的一種數學方法，其考察性狀既可以是質量性狀，也可以是數量性狀，并可同時對大量性狀進行綜合考察[21]。本研究對串枝紅×金太陽正反交200株后代進行了聚類分析，在距離為5時，可以劃分為9類，對9個類群的果實經濟性狀進行分析發現，第1類群為果實香氣濃郁類；第2類群為果肉韌性極低類；第3類群為綜合性狀優良類；第4類群為小果外觀差類；第5類群為高硬度高韌性類；第6類群為大果類；第7類群為果皮底色優良類；第8類群為高可溶性固形物類；第9類群為平庸類。可見，通過對果實經濟性狀的聚類分析，可以將數量龐大的杏雜交后代群體進行類別劃分，為育種決策提供有益的參考信息。