基于颜色、形态的酸枣种子产地判别分析

2016-12-04山西师范大学生命科学学院山西临汾041004

种子 2016年7期

，，，，， (山西师范大学生命科学学院，山西临汾 041004)

·问题探讨·

基于颜色、形态的酸枣种子产地判别分析

王荷峰，陈霞霞，苏艳丽，王佳倩，任丽丽，张强
(山西师范大学生命科学学院，山西临汾 041004)

目的：分析不同省份酸枣种子颜色、形态的特点，筛选判别酸枣种子产地的有效指标，同时探索酸枣种子产地溯源方法，建立有效判别模型。方法：应用图像处理技术和多元统计方法对烟台、赞皇、银川、吐鲁番4地各100粒酸枣种子的颜色、形态进行判别分析和聚类分析。结果：经逐步筛选得到影响酸枣种子产地判别的11个有效指标，并建立了酸枣种子产地溯源的判别模型，判别结果中回判验证总正确率90.5%，交叉验证总正确率88.5%。结论：利用酸枣种子颜色、形态特点,采用图像处理技术与现代统计分析技术相结合的方法，建立的判别模型对于酸枣种子产地溯源具有可行性。

酸枣；种子颜色；种子形态；判别分析；产地溯源

酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)为鼠李科(Rhamnaceae)枣属(ZizyphusMill.)小灌木，适应性强,广布于华东、华北、西北和东北的向阳山坡、荒芜丘陵和平原，从湿润的东部海滨到干旱的西荒漠，均能生长良好[1]，酸枣根系发达，抗旱、耐寒、耐贫瘠能力强,具有重要的水土保持作用，是绿化荒山的先锋树种[2]。同时酸枣仁具有养心补肝、宁心安神、敛汗、生津的药用价值,适用于虚烦不眠、惊悸多梦、体虚多汗、津伤口渴的人群[3]。目前,有关酸枣的研究主要集中在化学成分[4-6]、药理作用[7]、系统分类学[8]、组织培养[9-11]等方面。研究表明，不同产地的酸枣种子品质存在显著差异,为了保证其来源的真实性,探索酸枣种子产地溯源方法具有重要意义。关于酸枣种子颜色、形态特征和产地判别的研究尚未见报道。本研究分析不同产地酸枣种子颜色、形态的特点,筛选酸枣种子产地判别的有效指标,探索颜色、形态和现代统计分析技术对中国酸枣产地溯源的可行性,为酸枣种子的产地溯源提供新途径。

1 材料与方法

1.1 实验材料

供试的普通酸枣种子共有400粒，分别来自于烟台、赞皇、银川、吐鲁番，基本上代表了各研究地区酸枣的整体情况，具体样本采集地点及样本数量等信息见表1。

表1 4地酸枣样本数及采集地点

地理分布样本数采样点经度纬度烟台100121°37′E37°21′N 赞皇100114°26′E37°39′N 银川100105°57′E38°31′N 吐鲁番10088°49′E42°47′N

1.2 酸枣种子图像的获取

按固定的次序和方向将酸枣种子摆放于EPSON扫描仪上，采用600 DPI分辨率分别获取400粒酸枣种子的彩色图像。

1.3 统计方法

Fisher判别分析是在分类确定的条件下，根据研究对象的各项特征判别其类型归属问题的一种多变量统计分析方法，操作简单，对总体的分布没什么特定的要求,通过降维方便从图形上目测直接判别等，应用比较广泛[12]。

数据用Microsoft Excel软件整理、制表，采用Photoshop CS 5软件进行图像处理、SPSS 17.0统计软件进行描述统计和判别分析、DPS数据处理系统进行聚类分析。验证方法采用回判验证和交叉验证法。

图1 4地部分变量频率分布直方图

2 结果与分析

2.1 不同产地酸枣种子颜色、形态的描述统计

通过Photoshop CS 5软件对酸枣种子图像进行处理得到27个变量，从这些变量分布特征看存在一定的差异，为进一步进行判别分析提供了一定的依据。从这些变量中选取了几个具有代表性的变量：R中值、B中值、灰度最小值、RGB中值，直方图如下。

从图1 b中可以看出，每一个地区B中值的大小比较分散，整体来看4个地区B中值的集中情况并不相同，说明4个产地酸枣种子在该变量上存在较大的差异；从图1 c中看出烟台、赞皇、吐鲁番3个地区灰度最小值的大小相对比较集中，而银川的比较分散，整体来看4个地区这一变量的集中情况比较相近。

2.2 酸枣种子颜色、形态变量的筛选

得到的27个变量，经SPSS 17.0统计软件逐步判别筛选得到11个有效变量，分别为RGB均值(X1)、RGB中值(X2)、R中值(X3)、G均值(X4)、G标准差(X5)、B中值(X6)、明度标准差(X7)、周长(X8)、高度(X9)、灰度最小值(X10)和灰度均值(X11)。

2.3 Fisher判别分析

根据Fisher判别法对4地酸枣种子数据进行分析，在此研究中运用非标准化的Fisher判别函数。此判别函数系数由于可以将实测的样本观测值直接代入求出判别函数值,所以该函数使用起来比标准化的系数要方便一些。由表2可知，用贡献率最大的11个参数建立了3个Fisher判别函数，即：

Y1=-2.854-0.052X1+0.069X2+0.085X3+0.092X4+0.343X5-0.269X6-0.266X7+0.013X8-0.032X9-0.096X10+0.045X11;

Y2=-17.494+0.66X1-0.182X2+0.042X3-0.369X4-0.799X5+0.186X6+0.876X7-0.011X8+0.049X9-0.049X10-0.161X11;

Y3=-12.374+0.292X1-0.158X2-0.082X3-0.03X4-1.031X5+0.017X6+1.149X7+0.02X8-0.076X9+0.496X10-0.081X11。

表2 4地酸枣种子的组质心

地点编码函数123 烟台1．1771．566-0．612 赞皇-2．1760．3401．229 银川2．906-0．9840．461 吐鲁番-1．907-0．922-1．078

图2 4地酸枣种子函数三维分布散点图

使用Fisher判别函数，可以计算每个样本三维空间的坐标，然后计算该点离各中心的距离，距离哪个类中心最近，即属于该类。

2.4 回判验证与交叉验证

回判验证总正确率为90.5%，其中烟台正确率最高，为94%，其次是赞皇91%，吐鲁番89%，银川88%。交叉验证总正确率为88.5%。烟台正确率最高为92%，其次是银川88%，赞皇和吐鲁番都是87%。

表3 回判验证和交叉验证分类结果

预测组地点烟台赞皇银川吐鲁番合计回判验证计数(%)烟台94132100赞皇39106100银川101881100吐鲁番38089100交叉验证计数(%)烟台92143100赞皇48709100银川101881100吐鲁番58087100

2.5 聚类分析

采用欧式距离对4个地区酸枣种子基于11个有效变量进行聚类分析，结果表明，长度、周长为一类；B中值、明度标准差、G标准差为一类，其中明度标准差和G标准差的关系最近；灰度最小值、R中值、灰度均值、G均值、RGB中值、RGB均值为一类，其中RGB中值和RGB均值的关系最近。

图3 酸枣种子11个有效指标的聚类图

3 结论与讨论

种子性状主要由遗传因子控制，同时也受环境因素的影响。大量研究表明，种子颜色、形态的变异程度较小[13]，可作为产地溯源的依据。对来源于烟台、赞皇、银川、吐鲁番4地的酸枣种子进行颜色、形态信息提取，获得27个指标。采用逐步筛选得到11个有效指标，分别为RGB均值、RGB中值、R中值、G均值、G标准差、B中值、明度标准差、周长、高度、灰度最小值、灰度均值，通过判别分析建立Fisher判别模型，并对模型进行了回判验证和交叉验证，回判验证总正确率为90.5%，交叉验证总正确率为88.5%，表明模型具有较高的可靠性。同时对筛选出的有效指标进行聚类分析，最终把这些有效指标分为3类，可以看出各个有效指标之间的相关关系。

本研究侧重于不同环境对酸枣种子的影响，通过对酸枣种子的颜色、形态数量化，对其颜色、形态进行分析，筛选有效指标，建立函数模型，为酸枣的产地溯源提供依据。今后一方面可进一步结合酸枣果实等指标进行研究、建模，判断其来源地，另一方面可探索其它模式识别方法进行酸枣种子产地溯源研究，提高所建模型的正确率。

综上所述，利用酸枣种子颜色、形态特点，采用图像处理技术与现代统计分析技术相结合的方法，建立的判别模型对于酸枣产地溯源具有可行性。

[1]康东东,韩利慧,马鹏飞,等.不同地理环境下酸枣叶的形态解剖特征[J].林业科学,2008,44(12):135-141.

[2]江涛.酸枣的护坡性能及种子萌发研究[D].北京林业大学,2007,06.

[3]中华人民共和国药典(第一部)[S].北京:中国医药科技出版社,2010:343-344.

[4]回瑞华,侯冬岩,李铁纯.酸枣果肉中挥发性化学成分分析[J].理化检验-化学分册,2005,41(6):425-430.

[5]He F,Pan Q,Min Z D.A novel lupane triterpene from seeds ofZiziphusjujubevar.spinosa[J].Chinese Traditional and Herabl Drugs,2006,37(2):1-6.

[6]杨昕,杨光,赖玲,等.酸枣仁中白桦脂酸的提取和制备[J].中国中药杂志,2006,31(5):437-438.

[7]张玮,袁秉样,于晓江.酸枣仁总皂苷对大鼠血液流变学及体外血栓的影响[J].陕西中医,2005,26(7):723-725.

[8]赵锦,刘孟军.枣树品种、品系及其近缘种的RAPD分析[J].中国农业科学,2003,36(5):590-594.

[9]谢臣,庞全武.用酸枣种核、种仁繁育枣嫁接苗的比较[J].北方果树,2005(4):38-39.

[10]侯登武,张芳,熊泽娥,等.干旱地区穴播酸枣仁嫁接枣树育苗技术研究[J].陕西林业科技,2008(4):45-48.