基于主成分和聚類分析的辣椒抗蚜水平與營養(yǎng)成分相關(guān)性評價

梁曉 伍春玲 劉迎 稅軍 王穎 陳青

（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物有害生物綜合治理重點實驗室/海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測與控制重點實驗室/海南省熱帶作物病蟲害生物防治工程技術(shù)研究中心 海南海口 571101；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究院/海南省南繁生物安全與分子育種重點實驗室 海南三亞 572000）

辣椒是海南省冬季瓜菜的第一大蔬菜品種[1]，在推動熱帶特色高效農(nóng)業(yè)和海南自由貿(mào)易港建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前，海南辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在適于屬地化高效栽培、聚合抗蟲、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的辣椒品種嚴重缺乏的突出問題，不僅未能充分發(fā)揮抗蟲品種在蟲害綠色防治中的重要作用，而且導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)辣椒品種難以形成品牌規(guī)模效應(yīng)、產(chǎn)品品質(zhì)效益低[2]。因此，如何有效解決辣椒安全、高效、優(yōu)質(zhì)、規(guī)模化生產(chǎn)與蟲害有效綠色防控間的矛盾已成為海南辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的重大難題。

游離氨基酸、VC、辣椒堿等營養(yǎng)成分是衡量辣椒品質(zhì)的重要指標[3]。研究者采用主成分和聚類分析方法對多個營養(yǎng)品質(zhì)指標進行綜合評價，篩選出品質(zhì)較優(yōu)的辣椒品種，如朱志妍等[4]對49份云南省主要辣椒品種活性成分及其加工適應(yīng)性進行了主成分和聚類分析，發(fā)現(xiàn)云南本土品種“小米辣”綜合得分最高，綜合加工適應(yīng)性最佳。彭澤等[5]以“蘇椒1614”“巨無霸”“旋美”和“辣天下”辣椒為參試材料，采用上述2種分析方法篩選出“蘇椒1614”為南京地區(qū)設(shè)施無土栽培的優(yōu)良品種。

研究表明，辣椒中的某些營養(yǎng)物質(zhì)組分與其抗蟲性有關(guān)[6]。盡管當(dāng)前已有較多針對辣椒營養(yǎng)成分，或者營養(yǎng)成分和加工特性[4]、營養(yǎng)成分和農(nóng)藝性狀[7]等綜合評價的相關(guān)報道，但迄今為止，尚未見辣椒抗蟲性和營養(yǎng)特性綜合評價的相關(guān)報道，缺乏對綜合抗蟲、優(yōu)質(zhì)等多個優(yōu)良性狀的辣椒品種的科學(xué)界定。因此，本研究以前期經(jīng)過抗蚜性鑒定的32個辣椒品種為材料，測定其游離氨基酸、可溶性糖、VC、辣椒堿、二氫辣椒堿的含量，同時利用相關(guān)性分析、主成分分析法與聚類分析法對其抗蚜水平和營養(yǎng)指標進行綜合評價，以期為篩選兼具抗蚜和營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良特性的辣椒品種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究所用32個參試品種均為國內(nèi)辣椒主栽區(qū)栽培品種，在前期研究中已進行抗蚜性鑒定[2]。

1.2 方法

1.2.1 營養(yǎng)成分測定取32個辣椒品種的成熟果實進行營養(yǎng)成分含量測定（mg/g，干重），所有樣本重復(fù)測定3次，游離氨基酸、可溶性糖、VC、辣椒堿、二氫辣椒堿測定方法如下。

（1）游離氨基酸含量測定 采用茚三酮法，參考陳青[8]的方法略加修改。分別準確稱取辣椒樣品0.5 g于研缽中，加入5 mL10%乙酸，于冰浴狀態(tài)下研磨成勻漿；以4 700 r/min 離心20 min；取上清液，用蒸餾水定容至10 mL，搖勻后待測。

樣品測定 取0.5 mL待測樣品于離心管中，加入0.5 mL蒸餾水，再加入1.5 mL水合茚三酮和0.05 mL 0.1%抗壞血酸，混合均勻后于沸水浴中加熱15 min；隨后置于冷水中晃動冷卻，待呈現(xiàn)藍紫色時，用60%乙醇定容至10 mL，搖勻，于紫外分光光度計570 nm處測定吸光度值。根據(jù)標準曲線（以亮氨酸為標準）和樣品吸光度計算游離氨基酸含量，重復(fù)3次。

（2）可溶性糖含量測定 采用蒽酮法，參考張哲[9]的方法略加修改。分別準確稱取辣椒果實0.5 g于研缽中，加入5 mL蒸餾水，于冰浴狀態(tài)下研磨成勻漿，置于沸水浴中煮沸10 min，冷卻后以4 700 r/min離心20 min；取上清液，用蒸餾水定容至10 mL，搖勻后待測。

樣品測定 取待測樣品1 mL于離心管中，加入1 mL蒸餾水和5 mL蒽酮試劑，輕輕搖勻后置于沸水浴加熱10 min，待冷卻至室溫后，于紫外分光光度計620 nm處測定吸光度值。根據(jù)標準曲線（以葡萄糖為標準）和樣品吸光度計算可溶性糖含量。

（3）VC含量測定參照鉬藍比色法[10]。

（4）辣椒堿、二氫辣椒堿含量測定 參照GB/T 30388—2013《辣椒及其油樹脂 總辣椒堿含量的測定高效液相色譜法》方法。色譜條件：色譜柱，HPLC VP-ODS C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫40 ℃；流動相為甲醇-水(57∶43,V∶V), 等度洗脫；流速1 mL/min, 檢測波長280 nm；分別取對照品溶液和供試品溶液各10 μL, 注入色譜儀。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計；使用軟件IBM SPSS Statistics 25進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析；采用組間連接法進行聚類分析，指標間的距離為歐氏距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同抗蚜辣椒品種的營養(yǎng)成分含量

32個辣椒品種的營養(yǎng)成分含量測定結(jié)果詳見表1。游離氨基酸含量為0.063～0.376 mg/g，含量最高為翡翠甜椒（26號），最低為二金條2號（10號），變異系數(shù)為40.88%。可溶性糖含量13.651～37.331 mg/g，含量最高為博辣艷麗（7號），最低為新香2號（30號），變異系數(shù)為22.15%。VC含量0.652～3.020 mg/g，含量最高為新香2號（30號），最低為石柱朝天紅（2號），變異系數(shù)為35.79%。辣椒堿含量為0.354～2.471 mg/g，含量最高的為二金條2號（10號），最低為翠玉甜椒（27號），變異系數(shù)為43.63%。二氫辣椒堿含量為0.079～0.621 mg/g，含量最高為石柱朝天紅（2號），最低為大羊角椒（32號），變異系數(shù)為45.98%。

表1 三十二份辣椒的營養(yǎng)成分含量 單位：mg/g，干重

2.2 辣椒抗蚜性、營養(yǎng)指標間相關(guān)性

32個辣椒品種抗蚜性、營養(yǎng)指標間相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明，抗蚜水平與游離氨基酸（r=-0.554）、VC含量（r=-0.760）呈極顯著負相關(guān)，與辣椒堿含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.523），而與可溶性糖（r=0.454）、二氫辣椒堿含量（r=0.429）無顯著相關(guān)性。此外，不同的營養(yǎng)組分之間，僅有辣椒堿和二氫辣椒堿含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.589）。

表2 辣椒品種抗蚜性和營養(yǎng)成分指標間的相關(guān)性

2.3 抗蚜辣椒品種營養(yǎng)成分的主成分分析

主成分分析碎石圖結(jié)果（圖1）表明，前2個主成分因子之間的連線急劇下降，隨后特征值的變化曲線明顯趨于平緩，確定提取前2個主成分進行后續(xù)分析。如表3所示，可用前2個主成分代表32個辣椒品種的抗蚜水平和5個營養(yǎng)成分特征，綜合體現(xiàn)其抗蟲和品質(zhì)信息，選取特征值大于1的前2個主成分，其累計貢獻率達到70.496%。其中，第1個主成分特征值為3.164，貢獻率為52.735%，載荷較高且符號為正的有抗蚜水平、辣椒堿和二氫辣椒堿，這些特征主要反映了辣椒的抗蚜水平及其辣度值。第2個主成分特征值為1.066，貢獻率為17.761%，載荷較高且符號為正的為抗蚜水平、游離氨基酸、可溶性糖（表4），這些特征值主要反映了辣椒的抗蚜水平和營養(yǎng)成分含量。

圖1 主成分分析碎石圖

表3 主成分的特征值和貢獻率

表4 主成分矩陣

以前2個主成分及以每個主成分所對應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，計算主成分綜合模型：F=0.364Y1+0.340Y2。由此得到主成分因子得分（表5），對32個辣椒的抗蚜和營養(yǎng)水平進行綜合分析，F(xiàn)值越大，表明該辣椒品種的抗蚜和營養(yǎng)品質(zhì)的綜合性狀較好。石柱朝天紅、辣豐三號和博辣艷麗3個辣椒品種的綜合排名位居前三，是較好的兼具抗蚜、優(yōu)質(zhì)特性的品種。

表5 三十二份辣椒品種的主成分因子得分

2.4 辣椒抗蚜蟲性和營養(yǎng)成分的聚類分析

采用組間連接法進行抗蚜水平和營養(yǎng)成分的系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖2所示。在歐氏距離為12.5處將32個辣椒品種分為3類。第一大類包括了所有的感蚜和高感蚜品種8個，如福康8號、翡翠甜椒、翠玉甜椒、薄冠008、皇帝椒、新香2號、干辣3號和大羊角椒，并且感蚜水平越接近，其聚類關(guān)系越近，這些品種營養(yǎng)水平的共同特征是游離氨基酸含量、VC含量較高，可溶性糖、辣椒堿和二氫辣椒堿含量較低。第二大類包括了23個辣椒品種，涵蓋了高抗蚜、抗蚜和中抗蚜的品種，其營養(yǎng)成分含量差異較大，從高含量到低含量的品種均有覆蓋。第三類僅有一個高抗蚜辣椒品種石柱朝天紅，具有游離氨基酸和VC含量低、辣椒堿和二氫辣椒堿含量高、可溶性糖含量適中的特點。

圖2 三十二份抗蚜辣椒品種的聚類圖

3 討論

作物品種抗蟲性與其營養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系密切。研究表明，棉花在苗期時，其頂葉中可溶性糖含量與其對綠盲蝽抗性呈顯著正相關(guān)；而蕾期時，棉蕾中可溶性糖含量與其對綠盲蝽抗性呈顯著負相關(guān)[11]。楊乃博[12]研究發(fā)現(xiàn)，抗螟蟲甘蔗種質(zhì)中可溶性蛋白、可溶性糖和抗壞血酸（VC）含量均顯著低于感螟蟲種質(zhì)；甘蔗種質(zhì)抗螟蟲性與營養(yǎng)物質(zhì)含量呈負相關(guān)，營養(yǎng)物質(zhì)含量高的甘蔗種質(zhì)抗螟蟲性較弱。在辣椒研究中，同樣也發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)物質(zhì)含量與抗蟲性有關(guān)。例如陳青[8]研究發(fā)現(xiàn)，抗蚜辣椒品種較感蚜品種葉組織中游離氨基酸、氮、脯胺酸和VC含量低，可溶性糖含量和糖/氮比高。針對辣椒果實的研究表明，較高的辣椒堿含量能夠顯著抑制拉丁美洲夜蛾（Spodoptera latifascia）的生殖和發(fā)育，同時也能夠顯著減少其被天敵寄生蜂的寄生概率[13]。本研究32個辣椒品種抗蚜水平與5種營養(yǎng)物質(zhì)含量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，辣椒品種抗蚜性與游離氨基酸、VC的含量呈顯著負相關(guān)，而與辣椒堿、二氫辣椒堿含量呈顯著正相關(guān)，這與陳青[8]和Chabaane等[13]的結(jié)果具有一定的相似性，即辣椒品種中某些營養(yǎng)物質(zhì)含量較高可能不利于其抗蚜，而較高辣度的辣椒品種其抗蚜表現(xiàn)卻相對較好。

對辣椒品種的抗蟲性及其營養(yǎng)品質(zhì)進行綜合評價，篩選兼具抗蟲、優(yōu)質(zhì)特性的辣椒品種是實現(xiàn)害蟲綠色防控和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升的重要舉措。盡管已有研究表明，辣椒品種的抗蟲性與特定的營養(yǎng)物質(zhì)含量有關(guān)，但大都是抗蟲性與單一營養(yǎng)組分間的簡單相關(guān)性比較，并未結(jié)合多個營養(yǎng)組分進行綜合分析，對抗蟲性和品質(zhì)性狀的判斷具有一定的局限性。主成分分析與聚類分析能夠相對系統(tǒng)全面地評價多個不同性狀、不同指標的綜合效應(yīng)，并歸納出具有相似性狀表現(xiàn)的品種類群，這在辣椒品種營養(yǎng)成分和加工特性[4]、活性成分和農(nóng)藝性狀[7]等綜合評價研究中已有報道。本研究首次采用上述方法綜合評價多個不同抗蚜水平的辣椒品種的營養(yǎng)特性，發(fā)現(xiàn)感蚜品種通常具有較高的游離氨基酸、VC含量，較低的可溶性糖、辣椒堿和二氫辣椒堿含量，而對抗蚜性具有較好指示作用的營養(yǎng)成分為辣椒堿；“石柱朝天椒”在抗蚜性、營養(yǎng)品質(zhì)方面具有較優(yōu)的性狀表現(xiàn)，是兼具抗蟲、優(yōu)質(zhì)特性的優(yōu)良辣椒品種。

本研究為篩選兼具抗蚜和優(yōu)良營養(yǎng)品質(zhì)的辣椒品種奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)研究將進一步收集辣椒種質(zhì)，并擴大抗蟲性指標和營養(yǎng)指標的評價范圍，以期建立更為科學(xué)、可靠的辣椒種質(zhì)資源多個優(yōu)良性狀的綜合評價方法和技術(shù)體系。