寒地沙棘種質資源果實品質分析與綜合評價

王珊珊，張 萍，張冰冰，趙晨輝，李紅蓮，宋宏偉※，梁英海※

（1.吉林省農業科學院果樹研究所，公主嶺 136100；2.吉林省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，長春 130033）

0 引言

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）屬胡頹子科沙棘屬落葉灌木或小喬木[1]。中國是世界沙棘資源第一大國[2]，沙棘耐旱、耐瘠薄、耐鹽堿，是防風固沙、保水保土、改良土壤的優良樹種[3-4]。沙棘果實中富含維生素C、維生素E、類胡蘿卜素、糖類、有機酸類、黃酮類等上百種生物活性物質，這些物質對人體免疫系統、血液系統、心腦血管系統和消化系統等都具有廣泛的藥理作用，還具有抗氧化、抗炎、防輻射和防過敏等功效[5-7]。沙棘作為一種具有重要經濟、生態價值的資源，其研究和開發利用越來越受到人們的重視[8-11]。

果實品質是新品種選育與生產的重要指標之一，而依賴于單一性狀或少量品質性狀指標，所提供資源評價信息較為有限。沙棘種質資源評價是其有效利用的基礎，現已開展了沙棘重要農藝學性狀[12-13]、抗逆性狀[14-16]等評價研究。其中，在果實品質方面，多為沙棘營養保健和藥用成分鑒定評價研究[17-20]，沙棘果實品質性狀研究較少[21-22]，主要集中在果實大小、百果質量等外觀品質性狀，缺少可溶性固形物含量、可溶性糖含量、可滴定酸含量和抗壞血酸含量等重要風味和營養品質指標。

近年來，基于主成分分析構建綜合評價模型，可以對果實品質進行科學、合理地分析與評價，現已應用于蘋果、藍莓、青皮紅心柚等[23-27]多種果樹上。目前，在沙棘果實品質評價方面研究較少，方貴平等[28]基于主成分分析構建綜合品質評價模型，評價了中國沙棘、宇璐沙棘、蒙古沙棘和阿勒泰大果沙棘的4 份沙棘資源。現有研究報道中沙棘品質綜合評價所涉及的品種和品質性狀數量均較少，而且未結合多種分析方法開展綜合評價研究。為了進一步探討基于主成分綜合評價模型和聚類分析等多種評價方法，推進寒地沙棘資源精準化和規范化評價研究，本文以22 份寒地沙棘種質資源果實的百果質量、可溶性固形物含量、抗壞血酸含量等10 項果實品質指標為供試數據，應用變異分析、相關性分析、主成分分析、聚類分析等多種分析方法，明確各指標間的相互關系，分析各供試資源果實品質特性，構建綜合評價模型，對供試資源果實品質進行綜合評價，篩選優異寒地沙棘種質資源，以期為沙棘資源利用與新品種選育提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試材料采自國家寒地果樹種質資源圃（公主嶺），（124.865°E，43.492°N），包括‘遼阜1 號’、‘實優1 號’、‘實優2 號’、‘齊棘2 號’、‘綏棘2 號’、HS-4、HS-6、HS-10、HS-12、‘壯圓黃’、‘植物園’、‘向陽’、‘楚伊’、‘優勝’、‘火光’、‘澤梁’、‘侍叢’、蒙1、‘烏蘭格木’、‘深秋紅’、‘澤良女’和‘小柳樹’。分別于2020 年7—8 月和2021 年7—8 月，在果實成熟后，選擇具有代表性的植株3 株，選取大小一致、著色均勻、無病蟲害的果實。每份沙棘資源每株隨機取樣100 個果實，每株取樣果實作為一次生物學重復，共3 次生物學重復，連續2 年取樣評價。取樣果實于當日運至實驗室，測定其百果質量、果實縱徑、果實橫徑、可溶性固形物含量，然后用液氮快速冷凍，保存于-80 °C 超低溫冰箱中備用。葡萄糖、氫氧化鈉、酒石酸鉀鈉、亞硫酸鈉、苯酚、酚酞、乙醇、乙酸、2,6-二氯靛酚等試劑藥品，均為國產分析純。

1.2 儀器與設備

FR224CN 型天平，奧豪斯儀器（常州）有限公司；數顯卡尺（量程：0～200 mm，精度：±0.02 mm），上海美耐特有限公司；PAL-1 手持糖度折光儀，愛宕（ATAGO）科學儀器有限公司；D-7 紫外可見分光光度計，南京菲勒儀器有限公司；PHSJ-4A 型PH 計，上海儀電科學儀器股份有限公司；DK-S26 水浴鍋，上海精宏實驗設備有限公司。

1.3 方 法

1.3.1 果實品質指標的測定方法

百果質量的測定：用電子天平稱量100 個成熟果實的質量。

果實縱徑、橫徑的測定：隨機抽取30 個成熟果實，用數顯卡尺測定果實的縱徑、橫徑，計算平均值。果形指數為縱、橫徑之比[29]。可溶性固形物含量用手持糖度折光儀測定；可溶性糖含量采用3,5-二硝基水楊酸比色法[30]；可滴定酸含量采用酸堿滴定法[31]；抗壞血酸含量測定采用2,6-二氯靛酚滴定法[32]；糖酸比為可溶性糖含量與可滴定酸含量的比值；固酸比為可溶性固形物含量與可滴定酸含量的比值。

1.3.2 數據處理與分析方法

利用Excel 對數據進行預處理，利用SPSS 22 統計軟件進行變異分析、主成分分析和聚類分析[33-35]。利用基迪奧云平臺（Omic Share tools,https://www.omicshare.com/tools/）進行動態相關性熱圖分析。

相關性分析：首先檢驗各指標正態分布特性，然后進行Pearson 積差相關性分析。Pearson 相關系數，即積差相關系數，取值-1～1，絕對值越大，說明相關性越強。

主成分分析：將果實品質指標數據標準化處理與降維，通過因子分析與協方差矩陣計算得出對應因子分析系數和特征值，最終計算出對應指標的貢獻率、主成分分析系數及綜合權重。

聚類分析：聚類分析采用系統聚類組間聯接歐氏距離法。

綜合評價模型構建：將果實品質指標數據標準化后，根據各主成分的因子荷載值及特征向量計算各主成分得分，并根據各主成分得分及對應的權重線性加權求和，構建綜合評價模型。

2 結果與分析

2.1 沙棘種質資源果實品質性狀

2020 年和2021 年分別對22 份沙棘種質資源主要果實品質性狀指標進行測定，計算2 年的平均值。如表1 所示。

果實百果質量分布在21.035～78.950 g 之間，其中，‘侍叢’、HS-12（圖1 a）、‘優勝’、‘小柳樹’、‘澤良女’、‘向陽’（圖1b）和‘楚伊’（圖1）果實相對較大，百果質量均超過60.000 g，‘實優1 號’的百果質量最小，僅為21.035 g。果實縱徑分布在0.705～1.455 mm 之間，果形指數分布在0.947～1.617 之間，其中，果實縱徑最大、果形指數最高的是‘優勝’，果實縱徑最小的是‘實優1 號’，蒙1 果形指數最小。

圖1 沙棘種質資源果實Fig.1 Fruit of seabuckthorn germplasm resources

果實橫徑分布在0.710～1.005 mm 之間，HS-12 果實橫徑最大，‘實優1 號’和‘深秋紅’最小。可溶性固形物含量分布在5.775%～9.650%之間，‘向陽’、‘優勝’和HS-6 的可溶性固形物含量相對較高，均超過9.000%，‘烏蘭格木’（圖1d）最低，僅為5.775%。

可溶性糖含量分布在0.695%～3.885%之間，HS-6可溶性糖含量最高，其次為‘小柳樹’、HS-12、‘侍叢’和‘楚伊’，可溶性糖含量均超過3%，‘遼阜1 號’和‘深秋紅’最低。可滴定酸含量分布在0.975%～2.980%之間，‘實優1 號’可滴定酸含量最高，其次為‘綏棘2 號’（2.955%）、‘遼阜1 號’（2.235%），‘小柳樹’最低。

抗壞血酸含量分布在97.575～284.920 mg/100 g 之間，‘烏蘭格木’、‘綏棘2 號’和‘澤良女’抗壞血酸含量均超過280 mg/100 g，為高抗壞血酸含量資源。糖酸比分布在0.311～3.769 之間，‘小柳樹’糖酸比最大，‘遼阜1 號’最小。固酸比分布在2.151～9.797 之間，‘向陽’固酸比最大，‘綏棘2 號’最小。

2.2 沙棘種質資源果實品質指標變異分析

供試的22 份資源各品質指標變異系數存在差異。由表2 可知，變異系數分布在9.339%～62.528%之間。果實縱徑、果實橫徑、果形指數和可溶性固形物含量變異系數較小，均在20%以下，其中，果實橫徑的變異系數最小，僅9.339%，由此可知，上述果實品質指標較變異程度較小，遺傳特性較為穩定。另外，百果質量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗壞血酸含量、糖酸比、固酸比的變異系數較大，均在30%以上，尤其是糖酸比，其變異系數高達62.528%，上述果實品質指標具有較高的遺傳選擇潛力，可作為品種選育的參考指標。

表2 22 份沙棘種質資源果實品質指標變異情況Table 2 Variations of quality indexes of 22 seabuckthorn germplasm resources

2.3 果實品質指標間相關性分析

果實品質指標相關性分析結果表明（圖2），10 項品質指標間存在不同程度的相關性，性狀間相互影響。其中，百果質量與果實縱徑呈極顯著正相關，相關系數最大，為0.939；可溶性固形物含量與可溶性糖含量、固酸比呈顯著正相關；可溶性糖含量與可滴定酸含量呈極顯著負相關，與抗壞血酸含量呈顯著負相關；抗壞血酸含量與可滴定酸含量呈顯著正相關，與糖酸比、固酸比呈極顯著負相關，與可溶性糖含量呈顯著負相關。

圖2 品質指標間相關性分析Fig.2 Correlation analysis among quality indexes

果實的品質性狀可以反映其遺傳特性，不同品質性狀指標并非獨立，而是由多個指標組成，而且具有一定的相關性[36-37]。本研究中，百果質量與果實縱徑、果實橫徑間呈極顯著正相關，與葛文志[21]的研究結果一致。果形指數與果實縱徑間呈極顯著正相關，與王洪江等[22]研究結果一致。另外，本研究中可溶性糖含量與可滴定酸含量呈極顯著負相關，與抗壞血酸含量呈顯著負相關。可溶性固形物含量、抗壞血酸含量與其他指標顯著性較弱，表明其相對較為獨立，受其他指標因素影響較小。

2.4 果實品質指標的主成分分析

對22 份沙棘種質資源果實品質指標進行主成分分析（表3、表4），根據特征值大于1.0 的原則[38-40]，確定了3 個主成分，累積貢獻率達86.053%。第1 主成分反映了原始信息量的62.593%，百果質量、糖酸比、固酸比、果實縱徑、可溶性糖含量有較大的正系數值，載荷值分別為0.933、0.928、0.904、0.890、0.827，可滴定酸含量有較大的負系數值，載荷值為-0.854，說明第1 主成分較大時，百果質量、糖酸比、固酸比、果實縱徑、可溶性糖含量的值較大，可滴定酸含量的值小。第2 主成分反映了原始信息量的12.597%，果形指數有較大的正系數值，載荷值為0.684，果實橫徑有較大的負系數值，荷載值為-0.453，說明第2 主成分大時，果形指數的值較大，果實橫徑的值較小。第3 主成分反映了原始信息量的10.863%，可溶性固形物含量有較大的負系數值，載荷值為-0.702，說明第3 主成分大時，可溶性固形物含量的值較小。

表3 各個主成分的特征值和貢獻率Table 3 Eigenvalus and contribution rates of principle components

表4 各品質指標的主成分荷載矩陣Table 4 Loading matrix of principle components of fruit quality indexes

2.5 沙棘種質資源果實品質的綜合評價

基于主成分分析結果構建沙棘種質資源果實品質綜合評價模型。各品質指標的主成分載荷值（表4）除以主成分相對應的特征值開平方根（表3），得到3 個主成分中每個品質指標所對應的系數，即特征向量，以特征向量為權重[41]得到3 個主成分的得分公式：

式中F1～F3表示不同沙棘種質資源果實品質各主成分得分，X1～X10表示百果質量、果實縱徑等10 項品質指標數值，F表示不同沙棘種質資源果實品質綜合得分。

以主成分對應的方差貢獻率作為權重，由主成分得分和對應的權重線性加權求和[42]，構建沙棘種質資源果實品質綜合評價模型為：F=0.727F1+0.146F2+0.126F3。利用該模型得到22 份沙棘資源果實品質綜合得分，將各資源果實品質按分數高低進行排序，綜合評分越高說明該資源在測定的10 項品質指標中綜合品質越佳[43-44]。

由表5 可以較為直觀揭示供試沙棘資源果實品質的優劣情況。

表5 果實品質指標的主成分得分及綜合評價Table 5 Principal component score and comprehensive evaluation of fruit quality indexes

‘侍叢’、‘小柳樹’、‘向陽’、HS-12 的綜合得分較高，分別為1.551、1.536、1.422、1.396，這些沙棘種質資源果實大，可溶性固形物含量和可溶性糖含量高，可滴定酸含量低，果實品質綜合表現較好；‘優勝’、HS-10、‘澤良女’、HS-6、‘齊棘2 號’、‘楚伊’、‘澤梁’、‘烏蘭格 木’、HS-4、‘實優2 號’、‘火光’、‘壯圓黃’、蒙1 的綜合得分居 中，分別為1.367、1.135、1.038、0.987、0.945、0.919、0.839、0.797、0.790、0.631、0.609、0.545、0.533，這些沙棘種質資源的果實品質綜合表現中等；‘深秋 紅’、‘植物園’、‘綏棘2 號’、‘遼阜1 號’、‘實優1 號’的綜合分值較低，分別為0.487、0.260、0.083、0.041、-0.131，這幾份資源果實較小，可滴定酸含量高，可溶性固形物含量和可溶性糖含量較低，這些沙棘種質資源果實品質綜合表現較差。

2.6 聚類分析

將標準化后的果實品質指標進行系統聚類分析[45-46]。結果如圖3 所示：當歐式距離為12 時，可將22 份資源分為3 類。第I 類共4 份資源，包括‘侍叢’、‘小柳樹’、HS-12、‘向陽’，該類種質資源果實大，百果質量分布在63.645～78.950 g 之間，可溶性固形物含量及可溶性糖含量較高，可滴定酸含量均低于1.025%，口感甜酸，果實品質優，該類種質資源果實具有良好的風味，適宜鮮食；第II 類共13 份資源，包括HS-4、‘楚伊’、HS-6、HS-10、‘優 勝’、‘澤良女’、‘齊棘2 號’、‘烏蘭格木’、‘壯圓黃’、蒙1、‘實優2 號’、‘火光’、‘澤梁’，該類種質資源果 實品質居中，其中HS-4、HS-6、HS-10、‘楚伊’、‘優勝’、蒙1、‘澤良女’可溶性固形物含量和可溶性糖含量較高，適宜開發成果汁、果脯、果醬等食品，‘壯圓黃’、‘烏蘭格木’抗壞血酸含量較高，適宜加工成果酒等產品；第III 類共5 份資源，包括‘遼阜1 號’、‘植物園’、‘實優1 號’、‘綏 棘2 號’、‘深秋紅’，該類種質資源果實較小，百果質量分布在21.035～32.350 g 之間，可溶性糖含量均低于1.595%，該類種質資源果實可滴定酸含量較高，具有一定的營養價值，適宜開發果醋等功能性保健食品。綜上結果可知，第Ⅰ類的4 份資源果實品質指標大多處于較高水平，與主成分分析綜合評價得分排名前4 位的資源一致；第II 類的13 份資源的品質指標大多處于中等水平；第III 類的5 份資源的品質指標大多處于較低水平，與主成分分析綜合評價得分排名后5 位的資源一致。系統聚類分析結果與主成分分析綜合得分排名結果基本一致。

圖3 果實品質性狀的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of main fruit traits

3 討論

果樹種質資源分析和綜合評價是資源有效利用的前提，是品種選育和改良的基礎[47]，長期人工雜交選育易造成遺傳育種基礎狹窄，在親本選配中，應重視育種資源的遺傳變異程度。變異系數可以反映資源遺傳變異方面的差異，變異系數越大表明變異程度越大[48-49]。本研究中，22 份沙棘種質資源果實的10 項品質指標變異系數分布在9.339%～62.528%，表明果實品質性狀差異大，數量性狀多樣性豐富，與葛文志[21]等對沙棘不同品種間果實性狀變異分析結果一致。果實橫徑、果形指數、可溶性固形物含量的變異系數較小，均低于20%，而可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗壞血酸含量等重要的果實品質指標的變異系數較大，可作為沙棘育種親本選配與品種改良的參考指標。

果實外觀和內在品質評價，對果樹新品種選育具有重要意義，往往單一性狀指標評價提供的育種信息較為片面，因此綜合品質精準評價將提供更加全面科學的參考信息[50]。主成分分析法通過降維，將原來具有一定相關性的多個變量歸結為少數幾個綜合變量，是一種系統的統計學方法，可以全面分析和評價性狀的綜合表現[51-52]。本研究通過主成分分析對果實品質指標進行綜合和簡化，提取的3 個主成分，累積貢獻率達86.053%，基本反映了沙棘種質資源果實品質性狀的主要信息。基于主成分分析結果，本研究建立了綜合評價模型，通過計算綜合得分，使果實品質性狀間的差異具有可比性，提高了品質綜合評價的準確性，客觀反映了果實品質綜合評價情況。基于綜合評價模型，22 份供試資源綜合得分排名前4 名的資源為‘小柳樹’、‘侍叢’、‘向陽’和HS-12，表現出可溶性固形物及可溶性糖含量高，且可滴定酸含量低，果實大，綜合品質性狀優，可作為寒地沙棘優異種質資源加以利用。

系統聚類分析表明，22 份資源分為3 類。第I 類共4 份資源，果實大，口感甜酸，適宜鮮食；第II 類共13份資源，適宜加工成果汁、果脯、果醬、果酒等食品；第III 類共5 份資源，適宜開發功能性保健食品。系統聚類分析結果與綜合評價結果基本一致，從資源特征相似性而言，對綜合評價模型結果提供了支持，進一步驗證綜合評價模型對沙棘種質資源果實品質綜合評價的穩定性。綜合評價模型評價出的4 份優異沙棘資源‘侍叢’、‘小柳樹’、HS-12 和‘向陽’，聚為一類，表明這4 份資源具有相似特征。但系統聚類方法僅提供了供試資源特征相似性，而綜合評價模型可以量化資源評價結果。

優質、豐產、抗逆性強是果樹新品種選育的重要目標[53]，本研究采用的方法和結果為果樹資源評價及沙棘資源利用提供了參考依據。但本研究還存在供試資源份數偏少、性狀指標僅包括果實品質性狀等局限，因此構建的綜合評價模型，有待加入黃酮類物質、類胡蘿卜素等功能性成分指標、豐產性、抗逆性、抗病性等評價指標，為沙棘種質資源利用提供更為全面的參考依據。

4 結論

1）22 份寒地沙棘種質資源10 項果實品質指標變異系數存在差異。其中，果實縱徑、果實橫徑、果形指數和可溶性固形物含量的變異系數較小，百果質量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗壞血酸含量、糖酸比、固酸比的變異系數相對較大，可作為沙棘育種親本選配與品種改良的參考指標。

2）主成分分析將10 項果實品質指標提取出3 個主成分，累計方差貢獻率達86.053%。第1 主成分貢獻率為62.593%，主要由百果質量、糖酸比、固酸比、果實縱徑、可溶性糖含量、可滴定酸含量決定；第2 主成分的貢獻率為12.597%，由果形指數決定；第3 主成分的貢獻率為10.863%，由可溶性固形物含量決定。

3）基于主成分分析構建綜合品質評價模型，根據果實品質綜合得分，‘小柳樹’、‘侍叢’、‘向陽’和HS-12 為果實品質優良的寒地沙棘種質資源。