基于主成分分析的甜玉米品質綜合評價

魏常敏，宋萬友，周文偉，許衛猛，邢永鋒，張傳量，李桂芝

(周口市農業科學院，河南 周口 466000)

甜玉米因其乳熟期果穗糖含量高，營養豐富，口感好而深受消費者青睞，有“水果玉米”“蔬菜玉米”之稱[1]。甜玉米的利用方式主要以鮮食果穗為主，也可以加工成速凍籽粒或罐頭玉米[2]。品質是甜玉米品種選育的重要指標，目前甜玉米品種的選育主要依據理化性質和蒸煮品質等十多個指標進行，然而這些性狀指標多為數量性狀，在育種過程中不易把握，簡化篩選指標顯得尤為重要。主成分分析將多個具有一定相關性的指標，重新組合成一組新的、互相無關的或者相關度較小的因子來代替原來的指標，這少數的幾個因子可以代表全部指標的遺傳信息。張振良等[3]以49份甜糯玉米雜交新組合和蘇玉糯5號為試驗材料，通過主成分分析將16個性狀降維為5個主成分，這5個主成分能解釋表型變異的89.42%，并篩選到9個優異甜糯玉米雜交組合。潘天遵等[4]對玉米的21個測定指標進行主成分分析，提取了7個主成分，從21個品種中篩選出9份優良雜交組合。褚能明等[5]對鮮食甜糯玉米揮發性風味物質進行主成分分析，結果表明，不同品種的鮮食甜糯玉米均含有獨特的揮發性風味物質組合，揮發性風味成分的差異在一定程度上反映了不同品種鮮食甜糯玉米之間的風味差異。和鳳美等[6]等以30個超甜玉米自交系為試驗材料，對12個性狀進行主成分分析，提取了前7個主成分，主要包括產量因子、穗行數因子、穗粗因子、粒重因子、株高因子、莖粗因子和禿尖長因子。目前，甜玉米研究主要集中在農藝性狀和產量，作為首要指標的品質卻研究較少，本研究采用主成分分析法，對參加黃淮海鮮食甜玉米區域試驗的13個玉米品種的皮渣率、水溶性多糖、還原糖、氣味、風味、色澤、甜度、柔嫩性、皮厚薄和專家總評分進行綜合評價，找到影響甜玉米品質的主要因素，篩選出品質優良的品種，以期為甜玉米品質的綜合評價和目標性狀篩選提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

本試驗所用甜玉米品種為參加2018年黃淮海鮮食甜玉米區域試驗的13個品種：斯達甜221(T1)、洛單甜2號(T2)、鄭甜177(T3)、滬甜2號(T4)、斯達甜222(T5)、雙甜2018(T6)、鄭甜186(T7)、晶甜9號(T8)、BM380(T9)、京白甜452(T10)、高原王子(T11)、高原麗人(T12)和中農大甜413(T13，CK)。13個試驗點分布在8個省(市)：安徽、北京、山東、天津、陜西、陜西、江蘇、河南和河北。

1.2 處理設計

田間試驗采用間比法排列，以品種為處理，小區面積為24 m2，6行區，行長6.7 m，行距0.6 m，種植密度為5.25萬株·hm-2。在甜玉米果穗吐絲前將每個品種套袋20穗，自交授粉后繼續隔離21 d至最佳采收期后取樣分析。

1.3 品質檢測與數據統計

品質檢測在河南農業大學國家玉米改良分中心進行，測定索取樣品的皮渣率(X1)、水溶性多糖(X2)和還原糖(X3)。將所取甜玉米樣品按照國標甜玉米(NY/T 523—2002)進行品嘗鑒定，鑒定項目包括氣味(X4)、風味(X5)、色澤(X6)、甜度(X7)、柔嫩性(X8)、皮厚薄(X9)和專家總評分(X10)。

數據分析采用統計分析軟件Excel 2010和DPS 9.5。

2 結果與分析

2.1 性狀變異

參試的13個甜玉米品種的品質測定、品嘗鑒定結果如表1。從表1可知，品質測定試驗中，高原麗人的皮渣率最低，中農大甜413的水溶性多糖最高，洛單甜2號的還原糖最高；品嘗鑒定試驗中，中農大甜413的綜合評分為85分，其余12個品種中，只有洛單甜2號、斯達甜222號、雙甜2018和高原王子綜合得分高于85。

表1 參試品種的性狀指標

13個品種的性狀變異分析見表2，由表2可知，參試品種的性狀差異較大，變異系數范圍為1.4%～11.0%。品嘗鑒定指標的變異系數差別較小，其中變異系數最小的性狀是皮厚薄，其變異系數為1.8%；變異系數最大的性狀是色澤，其變異系數為4.0%；專家總評分變異系數為2.3%。品質測定指標的變異系數差別較大，水溶性多糖的變異系數僅為1.4%，而皮渣率達到11.0%，這說明參試品種的皮渣率波動范圍較大，結合前面皮厚薄的變異系數僅為1.8%，說明甜玉米品種中，不僅僅是皮厚薄影響皮渣率。

表2 參試品種的性狀變異分析

2.2 主成分分析

對13個參試品種的10個性狀指標進行主成分分析，根據累計貢獻率≥85%具代表性原則，提取了前3個主成分(表3)，累計貢獻率達到85.20%，可以代表10個品質性狀所反應的遺傳信息。第1主成分，貢獻率為58.08%，主成分特征值為5.807 8，對應的特征向量為專家總評分、氣味、風味和色澤，這些性狀與風味有關，稱為風味因子；第2主成分特征值為1.555 2，貢獻率為15.56%，主要為水溶性多糖和還原糖，這些性狀與含糖量相關，稱為糖分因子；第3主成分的特征值為1.156 7，貢獻率為11.57%，對應的特征向量為甜度和柔嫩性，這些性狀與口感有關，稱為口感因子。前3個主成分的函數表達式如下：

Y1=0.045 6X1-0.007 1X2-0.071 7X3+0.386 9X4+0.388 3X5+0.386 1X6+0.361 3X7+0.331 1X8+0.354 9X9+0.402 7X10；

Y2=0.484 6X1-0.689 9X2-0.509 0X3+0.046 1X4+0.071 1X5-0.043 8X6-0.038 2X7+0.053 7X8-0.110 6X9+0.066 7X10；

Y3=-0.503 8X1+0.050 2X2+0.578 5X3-0.118 8X4+0.037 6X5-0.157 8X6+0.201 2X7+0.293 7X8-0.006 2X9-0.013 8X10。

表3 入選的3個主成分及其特征向量

2.3 參試品種的綜合評價

計算各品種的主成分得分，得到Z1、Z2和Z3，以3個主成分的貢獻率為權重，其權重分別為0.581、0.156和0.116，構建主成分綜合評價模型公式：F=0.581Z1+0.156Z2+0.116Z3，得到13個參試品種的綜合得分(表4)。從表中可以看出，各品種間存在較大的差異，對照中農大甜413得分為1.107，排在第3位，其余的12個品種中，只有斯達甜222和高原麗人的綜合得分超過對照，說明這2個品種的綜合品質較好，其余品種均低于對照。

表4 參試品種的主成分因子綜合得分

3 小結與討論

品質優，口感好一直是鮮食玉米育種追求的首要目標之一，品質口感受到品種的甜度、糯度、皮厚薄、柔嫩性和個人偏好等多種因素影響[7-8]，給甜玉米的綜合品質評價帶來了一定的困難。主成分分析法將復雜的數據集簡化，將多個相互關聯的性狀指標換成較少的獨立或相關性較小的指標，這種降維思路為綜合評價提供了有力的理論依據和技術支持[9]。主成分綜合評價也被廣泛應用于玉米[10]、高粱[11]等農作物新品種的篩選方面。王俊花等[12]從26個超甜玉米雜交組合中，篩選出8個產量高、品質好、綜合性狀好的優良組合。董海合等[13]利用主成分分析對普通甜玉米品種進行了分析，得到生育期因子、糖分因子、賴氨酸因子、口感因子和鮮果穗產量因子5個主成分，累計貢獻率達85.51%。本研究通過對黃淮海甜玉米品質相關性狀進行主成分分析，得到3個主成分(風味因子、糖分因子和口感因子)，3個主成分的累計貢獻率達85.20%，兩者分析中，風味和口感都是影響甜玉米品質的重要因子，這些結果表明風味和口感是影響品質的關鍵因素，因此，在甜玉米選育過程中，品質方面應加強對風味和口感的選擇。

本研究通過對黃淮海甜玉米品質性狀進行主成分分析，得到可以代表10個品質性狀所反映遺傳信息的3個主成分：第1主成分風味因子主要包括專家總評分、氣味、風味和色澤，第2主成分為糖分因子，主要為水溶性多糖和還原糖，第3主成分為口感因子，包括甜度和柔嫩性。基于主成分的綜合評價分析，篩選出2個優質的甜玉米品種，分別為斯達甜222和高原麗人，可以進一步進行綜合評價利用。