基于主成分分析和聚類分析的南通地區芋種質資源品質性狀研究

顧 繪，陳美麗，魏唐祺

(南通科技職業學院，南通226007)

顧繪，陳美麗，魏唐祺.基于主成分分析和聚類分析的南通地區芋種質資源品質性狀研究[J].上海農業學報，2020，36(4)：31-36

芋[Colocasia escultenta(L.)Schott]為天南星科芋屬多年生草本植物，主要食用器官為地下球莖，具有豐富的營養成分，每100 g 芋中含淀粉69.6—73.7 g[1-2]、蛋白質1.75—2.30 g、脂類0.47—0.68 g、鈣59—169 mg、磷113—274 mg、鐵4.2—5.0 mg[3]。 芋作為重要的糧菜兼用作物和出口創匯蔬菜，種植面積逐年擴大。 芋品質形成是基因型、環境因素及栽培措施共同作用的結果，指標較多，且各指標間存在一定的相關性和相對獨立性。 目前，對芋品質性狀的研究主要集中在品種、環境因子或栽培措施差異引起的變化等方面，關于對芋品質性狀進行主成分分析和聚類分析的研究相對較少。

主成分分析法是指在不損失或很少損失原有信息的前提下，利用降維思想，將眾多指標因子轉化為少數幾個互不相關的綜合因素，從而解析出主要影響因素[4]。 主成分分析法適用于對多指標的綜合分析，是一種有效的簡化多指標分析的方法。 關于對品質性狀進行主成分分析和聚類分析的研究，前人在大豆[5-7]、扁豆[8]、棉花[9-10]、水稻[11]、梨[12]、蜜橘[13]、桃[14]、板栗[15]等作物方面已有報道。 如奚廣生等[6]利用主成分分析將14 個大豆品種的農藝及品質性狀指標歸納為5 個主成分因子，并利用聚類分析將18個品種劃分為5 個類型；宋江峰等[7]采用主成分分析和聚類分析法對菜用大豆品質評價進行了研究，提高了菜用大豆品種品質性狀選擇的效率，優化了菜用大豆品質評價體系；姜永平等[8]采用主成分分析和聚類分析法對扁豆的10 個主要農藝性狀進行分析，研究了影響扁豆產量的主要因子及品種間的遺傳距離。 本研究以南通地區24 份芋種質資源為材料，對其9 個品質指標進行主成分分析和聚類分析，以了解南通地區芋種質資源的品質特點及主要性狀差異，為南通地區芋種質資源利用與育種中親本性狀的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

從南通各縣及鄉鎮收集24 份芋種質資源材料，并將材料按鄉鎮和收集順序進行編號(表1)。 試驗地位于南通如皋市恒宇蔬菜種植園，早春起壟，壟寬100 cm，高20 cm，壟面寬60 cm。 選擇20—30 g 規格基本一致的健壯無病的子芋作為種芋，播種前用25%嘧菌酯懸浮液+50%多菌靈可濕性粉劑600 倍液浸泡10 min 左右，撈出晾干。 2016 年3 月25 日播種，株距40 cm，化學除草，覆蓋黑色地膜，出苗后選晴天早晨或傍晚破膜放苗。 每小區156 株，小區面積約為26 m2。 采用隨機區組設計，3 次重復，其他栽培管理措施按芋高產栽培技術方案進行。

表1 參試芋種質資源Table 1 The tested germplasm resources of taro

1.2 方法

所有芋種質資源于9 月下旬挖取地下球莖，各材料均隨機取子芋及孫芋各10 個，清洗干凈后去皮，切成0.5 mm 厚的薄片混合均勻，作測試用。 品質指標測定項目包括：含水量、淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量、粗纖維含量、直鏈淀粉含量和支鏈淀粉含量。 含水量采用直接干燥法測定[16]，淀粉和可溶性糖含量采用蒽酮法測定[17]，粗脂肪含量采用索氏提取法測定[18]，粗蛋白含量采用凱氏定氮法測定[19]，纖維素含量采用酸洗法測定[20]，支鏈淀粉和直鏈淀粉含量采用雙波長法測定[21]，灰分含量采用直接灰分法測定[22]。

1.3 數據分析

不同芋種質資源的主要品質性狀間采用Duncan’s 新復極差法進行差異顯著性檢驗。 應用DPS 7.05數據處理軟件對芋品質指標進行主成分分析，采用歐式距離作為度量標準，用離差平方和法對樣本進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 南通地區芋種質資源品質指標的一般性描述

2.1.1 品質指標間差異

由表2 可知，不同地區芋種質資源的品質存在一定差異，其中變異系數最大的指標為直鏈淀粉含量，變化幅度為4.37%—23.41%，變異系數為47.92%，屬中等變異；其余品質指標的變異系數大小依次為：可溶性糖含量＞粗纖維含量＞灰分含量＞粗脂肪含量＞支鏈淀粉含量＞粗蛋白含量＞淀粉含量＞含水量，其中含水量變異系數、淀粉含量變異系數、粗蛋白含量變異系數分別為6.19%、9.47%、9.57%，均小于10%，為弱變異；其他指標變異系數在10%—40%，為低等變異。

表2 不同地區芋種質資源品質指標差異Table 2 Differences in quality indexes of taro germplasm resources in different regions %

2.1.2 指標間相關性檢驗

各指標間存在相關性是進行主成分分析的前提，對不同芋種質資源主要品質指標進行相關性檢驗表明：各指標間均存在顯著或極顯著的相關性，相關系數絕對值最高的是含水量和可溶性糖含量，其相關系數為-0.996，呈極顯著的負相關關系，可溶性糖易溶于水，含水量高則可溶性糖含量低(表3)。

表3 南通芋種質資源主要品質的相關性分析Table 3 Correlation analysis of main quality of taro germplasm resources in Nantong

2.2 南通地區芋種質資源主要品質性狀主成分分析

對24 個芋種質資源的9 個品質性狀進行主成分分析，9 個特征根及其相應的貢獻率如表4 所示。 作為判斷主成分個數的標準，主成分累計方差貢獻率過高，則簡化效果弱，過低則會丟失過多信息量。 參考前人[23-24]的研究，以主成分方差貢獻率≥85% 作為提取主成分標準。 前3 項主成分累計貢獻率為91.045%，表明前3 項主成分可以表達原始數據提供品質性狀信息的90%以上，用前3 項主成分信息足以代替原數據信息，可將這3 個成分作為評價芋品質性狀的主成分。

表4 芋種質資源主要品質性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of main quality traits of taro germplasm resources

由表5 可知，在第一主成分的特征向量中，可溶性糖含量的主成分載荷最高且符號為正，主成分載荷為0.415，含水量為符號為負的主成分載荷最高，為-0.419，說明第一主成分是以可溶性糖含量和含水量的影響為主，灰分含量和粗脂肪含量的影響為輔；在第二主成分中，直鏈淀粉含量主成分載荷最高，為0.603，其次是粗蛋白含量，支鏈淀粉含量為符號為負的主成分載荷最高，為-0.542，說明第二主成分是對直鏈淀粉含量、粗蛋白含量和支鏈淀粉含量的綜合描述；在第三主成分中，淀粉含量的主成分載荷最高，為0.652，說明第三主成分是以淀粉含量的影響為主，粗脂肪含量的影響為輔。

表5 芋種質資源主要品質性狀的3 個主成分特征向量分析Table 5 Three principal component eigenvector analysis of main quality traits of taro germplasm resources

2.3 南通芋種質資源主要品質的聚類分析

24 個芋種質資源的每個主成分分值組成主成分向量(表6)，任意2 個材料主成分向量間的幾何距離為材料間的遺傳距離D2。 根據主成分向量計算得到24 個材料間的遺傳距離共276 個，平均遺傳距離為3.986，其中如皋下原村香堂芋與如皋天河橋村白堂芋的遺傳距離最大，為10.577；海門孝漢村香沙芋與海門長圩村香沙芋的遺傳距離最小，為0.371。 在276 個遺傳距離中，小于2 的占18.84%，大于7 的占4.71%，可以看出本試驗收集的芋種質資源來源相對單一，因此需要加大對外來種質資源的引進，豐富本地芋種質資源。

表6 24 個芋種質資源的3 個主成分特征向量Table 6 Three principal component eigenvectors of 24 taro germplasm resources

根據276 個遺傳距離D2值，將24 個芋種質資源進行聚類分析，結果表明：在歐式距離D2=8.96 處，24 份芋種質資源可以分為3 類(圖1)。 第I 類是以如皋地區香沙芋為主的8 份種質，該類群的淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纖維含量和支鏈淀粉含量高，含水量和粗蛋白含量低，直鏈淀粉含量適中；第II 類是以海門地區香沙芋為主的8 份種質，該類群的粗蛋白含量和直鏈淀粉含量高，淀粉含量、含水量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量和粗纖維含量適中，支鏈淀粉含量低；第III 類是包括如東、通州等地的8 份香沙芋種質，該類群的含水量高，淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纖維含量和直鏈淀粉含量低，粗蛋白含量和支鏈淀粉含量適中(表7)。

表7 南通芋種質資源各類群的特征Table 7 Characteristics of different groups of taro germplasm resources in Nantong %

3 討論與結論

在本試驗中，由9 個品質指標反映的芋品質可用3 個主成分來表示，其累計貢獻率達91.045%，且各性狀的貢獻率集中。 本試驗中第一主成分的方差貢獻率為60.101%，主要為可溶性糖含量和含水量的綜合描述，可溶性糖含量與含水量成極顯著負相關關系，這與前人研究結果一致[25]。 可溶性糖是淀粉合成的重要原料，因此，可稱第一主成分為淀粉合成因子。 第二主成分的方差貢獻率為23.300%，主要為粗蛋白含量、支鏈淀粉含量和直鏈淀粉含量的綜合描述。 支鏈淀粉含量和直鏈淀粉含量的載荷符號相反，兩者是淀粉的兩大組成部分，其比例是衡量淀粉質量的最常用指標，可反映芋口感的軟糯程度，同時有研究推測淀粉和蛋白質含量的高低可能與芋的食味品質好壞有關[26]，因此，第二主成分可表示為食味因子。第三主成分的方差貢獻率為7.644%，主要為淀粉含量的描述。 淀粉是大多數植物種子與塊莖的主要組成部分，也是最主要的光合產量積累形式，是芋最重要的品質性狀。 從以上分析可以得出，3 個主成分主要集中在淀粉的合成、質量及含量3 個方面。 因此，在優質品種選育時可加大對可溶性糖含量這一性狀的選擇力度，同時考慮直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例，粗蛋白含量可以適當提高，高淀粉含量的芋種質資源品質較優。 本研究在主成分分析基礎上，利用系統聚類法將來自南通各地區的24 份芋種質資源分為三大類，第I 類主要分布于如皋地區；第II 類主要分布于海門地區；第III 類主要分布于通州、如東等地。 可見，具有相同地域來源的芋種質材料其主要品質指標基本一致。 南通地區芋種質是典型的無性繁殖，不同地域之間的品質差異可能是因為土壤、氣候等差異長期誘導產生。 品質差異的存在便于挑選符合期望要求的優良種質，保留這些種質材料對保持南通地區芋種質資源的多樣性具有極其重要的意義。