美國薄殼山核桃實生種源果實品質主成分分析與綜合評價

左繼林 孫穎 吳妹杰 周文才 龔春 黃文印 徐林初

摘要：通過對美國薄殼山核桃20株實生優株的冠幅產量、單果質量、種仁含油率、脂肪酸組分含量等性狀的測定與統計學分析，綜合評價各優株品質。結果表明，不同優株間性狀差異明顯，主成分分析17個性狀指標綜合成5個主成分因子可代表薄殼山核桃品質82.17%的信息量，種仁含油率、油酸含量、單果質量、出仁率、仁質量與果徑在綜合評價指標中起決定作用;利用主成分與聚類分析將優株分為4類，Ⅰ類是殼較厚、種仁含油率與油酸含量均高的豐城2號等5個優株;Ⅱ類是冠幅產量、含油率最高的豐城3號等8個優株;Ⅲ類是果大、殼薄、出仁率、蛋白質含量高的豐城6號等5個優株;Ⅳ類是豐城24號、豐城26號。品質綜合性狀較好的是豐城4號、豐城6號、豐城36號、豐城2號、豐城5號。

關鍵詞：美國薄殼山核桃;果實品質;主成分;綜合評價

中圖分類號： S664.103文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）18-0235-05

收稿日期：2018-05-02

基金項目：國家林業局科技支撐項目（編號：GR-2016-02）。

作者簡介：左繼林（1969—），男，江西永新人，博士，研究員，研究方向為經濟林研究與開發。E-mail：zjl691011@163.com。

美國薄殼山核桃[Carya illinoinensis （Wangenh.） K. Koch]原產于北美，為胡桃科山核桃屬植物，是世界著名的干果之一，它具有殼薄易取仁、適合機械加工、適合在低緯度地區種植且可用作園林綠化樹的優點[1-4]。我國引種美國薄殼山核桃已有100多年的歷史，在我國亞熱帶東部、長江流域和云南省等地結實較好，但至今仍未能形成商品化生產栽培，且適宜在各區域推廣的美國薄殼山核桃良種資源相對較少[5-6]。目前，薄殼山核桃的良種評價與選優工作開展的不多，20世紀80年代由浙江省科學院聯合浙江省農業科學院對我國14個省份的薄殼山核桃資源進行初查，提出堅果殼薄、種仁飽滿、出仁率在40%以上、含油量在70%以上為優良單株的選育標準，初選收集了70個優良單株[7];方亮等調查了南京市樹齡為30年左右的18個薄殼山核桃品種果實的果質量、果形指數、出仁率、種仁含油率，采用綜合評分法初步篩選2個優良品種，5個次選優良品種[8];2012年，耿國民等分析了9個美國山核桃單株的果實形態特征[9];朱燦燦等在測定不同品種薄殼山核桃在南京地區種植的果實形態與品質后[10]，指出反映果實外部形態和品質特征的12個指標可歸納為果實大小、果仁出油率與果仁碳水化合物3個主成分。

然而，以上研究均未涉及株產量，而美國薄殼山核桃果實品質應包含外在和內在品質，因此，筆者從江西省林業科學院早期種植基地各薄殼山核桃實生種源優株的產量、果實形態指標與油脂脂肪酸組成成分這些內在品質指標著手，參照酸棗[11]、柑橘[12-13]、葡萄[14]、獼猴桃[15]等種質資源研究過程中采用的主成分分析法，篩選美國薄殼山核桃品質貢獻的關鍵指標，并用隸數函數值法綜合評價，以期為江西省美國薄殼山核桃良種的選育、品種改良及產業規劃提供參考依據。

1?試驗區概況

1999年春季，江西省林業科學院從美國德克薩斯州引種美國薄殼山核桃種子，繁育大量苗木銷往全省各地，試驗地位于江西省豐城市鑫植源農業生態科技開發有限公司湖塘鄉燕山村富硒梨基地（地理位置為28°16′40″N、115°33′42″E）。該區屬于亞熱帶濕潤季風區，年平均氣溫為17.9 ℃，年平均降水量為1 459 mm，無霜期300 d以上;土壤為由沙質板巖發育而成的紅壤，土層厚度在80 cm以上，pH值為4.8，海拔為220～300 m，坡度為3°～40°，林分已進入掛果期。

2?材料與方法

2.1?試驗材料

美國薄殼山核桃實生苗由江西省林業科學院繁育，種子來源于美國德克薩斯州。于2010年3月營造試驗林，造林密度為4.0 m×5.0 m，管理較為粗放。

2.2?調查與測定方法

2017年3—12月，筆者所在項目組對20株美國薄殼山核桃實生種源的生長狀況展開調查，每個實生種源選定優株掛牌調查其冠幅面積、胸徑，并在果皮微開裂時人工采摘鮮果。

2.2.1?果實及種子的形態測定

對完整的果實進行脫蒲處理后，對果長和果徑進行測量，剝殼后測其果殼厚度并稱量果仁質量，計算出籽率;然后剝殼、取仁，測量果殼厚度并稱量果仁質量，計算出仁率。完成果實形態測定后，將種仁在55 ℃烘箱中烘干，粉碎，供分析測試用。

2.2.2?脂肪酸與蛋白質營養成分的測定方法

脂肪酸組成的測定采用GC-2010 Plus氣相色譜儀，色譜條件：色譜柱為CD-2560（100 m×0.25 mm×0.2 μm），檢測器為氫火焰檢測器（FID），檢測器溫度為260 ℃，進樣口溫度為250 ℃，載氣流速為1.0 mL/min，分流比為30 ∶1，程序升溫（140 ℃保留5 min，4 ℃/min升溫至240 ℃保留30 min），進樣量為1 mL。采用凱氏定氮法測定蛋白質含量。

2.3?數據處理

采用SPSS 12.0與DPS 6.05數據處理系統進行主成分結果分析，其他所有統計分析均采用Excel。品質綜合評價采用隸屬函數法綜合評價各核桃種質資源的性狀優劣，先采用模糊數學隸屬函數公式進行定量轉換，再將各指標的隸屬函數值取平均值進行比較。與品質呈正相關的指標采用式（1）進行計算，而呈負相關的指標采用式（2）進行計算，平均隸屬函數值越大表示品質越佳。

X（u）=X-XminXmax-Xmin;（1）

X（u） =1-X-XminXmax-Xmin。（2）

式中：X（u）表示隸屬函數值;X表示某一指標的測定值;Xmin表示某一指標測定值中的最小值;Xmax表示某一指標測定值中的最大值。

3?結果與分析

3.1?各參試種源果實的品質分析

由表1可以看出20個美國薄殼山核桃優株的經濟性狀指標變異狀況。各優株間冠幅產量的變異強度最大，豐城4號的冠幅產量是豐城3號的33倍，各種源的變異系數達90.65%;其次是順-11-二十烷烯酸、亞油酸含量及仁質量的變異程度較大，分別達到34.08%、33.33%與32.36%。棕櫚酸含量的變異系數較小，低于10%，遺傳變異較小，相對穩定;果高、出仁率、蛋白質含量等性狀均達到中等強度的變異程度，其中果殼厚度最薄的為豐城8號、豐城6號、豐城4號，分別僅有0.75、0.83、0.83 mm;變異強度大小依次是冠幅產量>順-11-二十烷烯酸含量>亞油酸含量>仁質量>α-亞麻酸含量>果殼厚>單果質量>果徑>硬脂酸含量>果形指數>花生酸>蛋白質含量>出仁率>油酸含量>果高>含油率>棕櫚酸含量。研究結果為美國薄殼山核桃實生種源中的良種篩選建立了基礎。

3.2?主成分分析

采用主成分分析法，對美國薄殼山核桃20個實生種源單株進行經濟性狀指標的綜合評價。由表2可知，前5個主成分PC1～PC5的貢獻率分別為35.05%、18.88%、13.99%、7.59%、6.66%，累積貢獻率達到82.17%，已能反映17個品質指標的大部分信息，說明PC1、PC2、PC3、PC4、PC5 5個主成分起的作用最為重要。

由表3可知，通過前5個主成分反映的各指標在各種源測定中所起的作用有差異。根據17個指標的相關矩陣及表3的主成分分析因子載荷矩陣可知，PC1主要由變量含油率、油酸含量、單果質量、棕櫚酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量決定，它們作用在第1因子的荷載分別為0.924、0.895、0.516、-0.609、-0.873、-0.813、-0.532;含油率、油酸含量、單果質量呈正相關關系，棕櫚酸、亞油酸、花生酸、硬脂酸含量則呈負相關關系。PC2主要由出仁率、仁質量、果徑、單果質量及果殼厚度決定，作用載荷分別為0.776、0.739、0.715、0.544和-0.558;PC3主要由果高、果形指數決定，其作用載荷分別為0.672、0.680;PC4主要由冠幅產量決定，作用載荷為-0.500;PC5主要由蛋白質含量決定，作用載荷為0.724。由于第1主成分貢獻率與第2主成分貢獻率分別達到35.05%和18.88%，因此，種仁含油率、油酸含量、單果質量、出仁率、仁質量、果徑在美國山核桃的17個性狀指標中占據正向決定地位，而棕櫚酸、亞油酸、花生酸、硬脂酸含量與果殼厚度為負向決定因子。

3.3?隸屬函數值法綜合評價

本研究在綜合評價時，冠幅產量、單果質量、果高、果徑、仁質量、出仁率、蛋白質含量、含油率、油酸含量、順-11-二十烷烯酸含量、α-亞麻酸含量采用式（1）計算，果形指數、棕櫚酸含量、硬脂酸含量、亞油酸含量采用式（2）計算。

各項指標的隸屬度值和綜合評價結果見表4，可以得出各種源品質優劣排序為豐城4號>豐城6號>豐城36號>豐城2號>豐城5號>豐城34號>豐城8號>豐城10號>豐城12號>豐城27號>豐城9號>豐城16號>豐城29號>豐城11號>豐城39號>豐城38號>豐城28號>豐城3號>豐城24號>豐城26號。

3.4?聚類分析

利用美國薄殼山核桃冠幅產量、單果質量、果高、果徑、殼厚、仁質量、出仁率、蛋白質、含油率、棕櫚酸含量、硬脂酸含量、油酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、順-11-二十烷烯酸含量、α-亞麻酸含量16個性狀指標對美國薄殼山核桃20個種質資源采用離差平方和法進行聚類。圖1的聚類結果顯示，20個美國薄殼山核桃綜合性狀距離分布范圍為0.231 0～1.792，其中豐城27號與豐城29號的綜合性狀距離最小，只有0.231 0，豐城2號與豐城11號種源之間的綜合性狀距離最大，達到0.578 2;在距離1.022 7以內，20個核桃種源被分成4個大類。

Ⅰ類豐城2號、豐城10號、豐城11號、豐城38號、豐城39號，其特點是殼較厚、種仁含油率與油酸含量均較高，果形指數較大，平均果殼厚度為（1.47±0.436） mm，平均油酸含量為（74.04±3.866）%，平均種仁含油率為（71.063±3.195）%，平均果形指數為1.70±0.261。

Ⅱ類豐城3號、豐城4號、豐城5號、豐城8號、豐城9號、豐城27號、豐城28號與豐城29號，其特點是冠幅產量、含油率最高，出仁率也較高;平均冠幅產量為（0.175±0.211） kg/株，平均種仁含油率為（70.903±3.145）%，平均出仁率為（40.19±5.795）%。

Ⅲ類豐城6號、豐城12號、 豐城16號、豐城34號、豐城36號，特點是單果與果仁質量大，果高、果徑最大，果殼薄，出仁率、蛋白質含量最高，平均單果質量為（4.63±1.109） g、平均果高為（31.918±2.623） mm，平均果徑為（22.282±6.146） mm，平均果殼厚度為（1.132±0.262） mm，平均仁質量為（1.993±0.446） g，平均出仁率為（43.397±4.942）%，平均蛋白質含量為（10.081±0.588）%。

Ⅳ類豐城24號、豐城26號，特點是棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、花生酸、順-11-二十烷烯酸、α-亞麻酸含量最高，棕櫚酸含量為（5.654±0.021）%，硬脂酸含量為（2.387±0.504）%，亞油酸含量為（39.627±6.679）%，花生酸含量為（0.12±0.005）%，順-11-二十烷烯酸含量為（2.024±0.137）%，α- 亞麻酸含量為（0.009±0.001）%。

4?討論與結論

變異系數能反映各種質資源性狀在進化保守性或遺傳可塑性方面的不同，可為其品種或變異類型選育提供依據。本研究中，20株美國薄殼山核桃實生種源間各品質指標的變異系數存在很大的差異，最低的僅為8.04%（棕櫚酸含量），最高的達到90.65%（冠幅產量），其次是順-11-二十烷烯酸、亞油酸含量及仁質量的變異系數較大，為32.36%～34.08%;果高、出仁率、蛋白質含量等性狀的變異程度中等，變異系數為11.70%～14.74%。以上反映出來源于美國德克薩斯州的薄殼山核桃種質間存在較大的遺傳差異，從而為優異種質資源發掘提供了豐富的選擇空間。

主成分分析法可在最大程度保留原有信息的前提下，利用數目較少且相互獨立的關鍵性指標去代表數目較多且彼此相關的指標[16-17]。由于薄殼山核桃果實品質測定指標間的單位量綱不同，為消除不同指標因單位不同及正負指標對分析結果的影響，本研究同阮敏等一樣對原始數據采用隸屬函數法進行轉化，消除了不同評價指標對評價體系的正負影響，未采用因子分析法評價品質優劣[18-19]。

本研究中樣品中前5個主成分的累計貢獻率達到82.17%，且各指標是綜合的、相互獨立的指標，基本反映了全部數據信息;利用加權思想對前5個主成分進行轉化，從而獲取其綜合分值，能客觀反映不同優株果實品質的優劣;測定的美國薄殼山核桃的17個性狀指標中，種仁含油率、油酸含量、單果質量、出仁率、仁質量、果徑、棕櫚酸含量、亞油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量與果殼厚度可作為其種質品質綜合性狀評價的主要指標。

利用隸數函數值，得出的美國薄殼山核桃各實生種質優劣順序依次是豐城4號、豐城6號、豐城36號、豐城2號、豐城5號、豐城34號、豐城8號、豐城10號、豐城12號、豐城27號、豐城9號、豐城16號、豐城29號、豐城11號、豐城39號、豐城38號、豐城28號、豐城3號、豐城24號、豐城26號，其中豐城4號、豐城5號、豐城27號的種仁含油率、出籽率與亞油酸含量均達到了良種的考核指標[7]。

本研究中通過聚類分析把美國山核桃實生種源分4類。Ⅰ類種質資源的果殼較厚，但種仁含油率與油酸含量高，可作為雜交育種材料;Ⅱ類種質資源的特點是冠幅產量與種仁含油率高，出仁率較高，適于規模化推廣;Ⅲ類種質資源的單果質量大，果高、果徑大，果殼薄，仁質量、出仁率、蛋白質含量高，適于高品質的核桃良種篩選;Ⅳ類特點是棕櫚酸、硬脂酸、亞油酸、花生酸、順-11-二十烷烯酸、α-亞麻酸含量均較高，可作為功能型核桃開發。

目前，在美國山核桃的選育中，主要對其出仁率、堅果質量、含油率等主要經濟性狀進行加權計分后的綜合得分選優[20]。謝孝福等以堅果薄、種仁出仁率與含油率高及味香甜作為選優標準[7]，朱燦燦等認為，果實大小、種仁含油率粗脂肪、可溶性糖、蛋白質含量等是評價的關鍵指標[10]，本研究結果與謝孝福等的研究結果[7，10]一致，但蛋白質含量指標未作為關鍵評價指標，而增加了單株冠幅產量、果徑大小及油酸為正向指標，亞油酸、棕櫚酸、花生酸、硬脂酸含量為負向評價指標，應該更全面與可靠，至于粗脂肪、可溶性糖與蛋白質含量可否作為篩選良種的品質指標，有待進一步的研究。

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