基于主成分和系统聚类分析的烤烟种质资源化学品质评价

许美玲　肖炳光　焦芳婵

摘要：[目的]评价烤烟种质资源的化学品质，筛选出化学品质优良的烤烟种质资源，为烟草育种亲本选择及其种质资源有效利用提供参考。[方法]对124份烤烟种质资源的10项化学指标进行标准化处理，并进行主成分分析和系统聚类分析，以普遍认可的烟叶化学成分适宜范围衡量各种质资源的烟叶化学品质。[结果]第1类的主成分综合得分为2.040，包括42份种质，其化学品质特点是还原糖、總糖、总氮、烟碱、氮碱比、糖碱比、蛋白质和两糖差等主要化学成分指标适宜，钾较高，综合化学品质好，多数审（认）定品种和优质资源被聚在此类；第1I类的主成分综合得分为2.450，包括7份种质，其化学品质特点是总糖、还原糖、总氮、烟碱、糖碱比、氮碱比和蛋白质等指标适宜，化学成分协调，烟叶品质较好；第1II类的主成分综合得分为-1.360，包括20份种质，其化学品质特点是总氮适宜，糖碱比、烟碱、总糖和还原糖较适宜，但钾、氯、两糖差和蛋白质等的标准化值不适宜，综合化学品质中等；第Ⅳ类的主成分综合得分为-1.180，包括11份种质，其化学品质特点是总氮、钾、氯适宜，总糖、还原糖和氮碱比较适宜，综合化学品质中等；第Ⅴ类的主成分综合得分为-0.110，包括13份种质，其化学品质特点是总氮、烟碱、氯和氮碱比适宜，总糖、还原糖、糖碱比和两糖差较适宜，但钾含量较低，品质较好；第Ⅵ类的主成分综合得分为-1.380，包括23份种质，其化学成分特点是总糖、还原糖、总氮、蛋白质和糖碱比适宜，烟碱、钾、氯和氮碱比较适宜，其余指标不适宜；第Ⅶ类的主成分综合得分为3.700，包括8份种质，其化学成分特点是氮碱比适宜，总氮、氯和钾较适宜，其余指标不适宜。[结论]各类烤烟种质资源的化学成分存在明显差异，其中金星6007、白花205、春雷一号、春雷三号、G-28、中烟90、K326、Kutsaga 51E、保山团叶、寸茎烟、潘圆黄、581永定一号、吉烟7号、Kutsaga El、SC58、T.I.706和朝鲜抗赤等化学品质较好的种质资源，可作为亲本材料用于烟草新品种选育。

关键词：烤烟；种质资源；化学品质；综合评价；主成分分析；聚类分析

中图分类号：S572.024 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2017）11-1937-11

0引言

[研究意义]化学成分是烟叶品质的性能指标，也是卷烟工业考虑烟叶可用性的重要因素，主要包括总糖、还原糖、总氮、烟碱、氯和钾等。烟叶化学成分组成和含量及其协调性是烟草品种资源的重要特征特性，与评吸质量、外观质量、物理特性及安全性等均密切相关，不同类型烟草和品种间化学成分存在一定差异。随着烟草化学及其检测技术的发展，化学成分在烟叶品质评价中占据重要地位，且烟叶原料的化学成分指标及其协调平衡程度在卷烟生产中日益被重视（云南省烟草科学研究所，2007）。因此，对烤烟种质资源的烟叶化学成分进行主成分分析和聚类分析，以了解各烟草种质资源化学特性，筛选出化学品质优良的烤烟种质资源对烟草育种及其种质资源有效利用均具有重要意义。[前人研究进展]已有大量研究表明，烟叶中主要化学成分的含量和协调性决定了烟叶及其制品的烟气特征，也间接决定了烟叶的工业可用性（黎根等，2007）。因此，烟叶化学成分是卷烟工业衡量烟叶原料品质的重要指标，其主要受气候条件、土壤类型（逄涛等，2013）、品种（李勇等，2013）等因素的影响，不同的土壤、气候、产区和品种能生产出化学品质不同的烟叶（晋艳等，1999；常爱霞等，2009）。目前，对烟叶化学成分指标适宜范围的划分尚存在分歧。但普遍认可的烟叶化学成分适宜范围为：总糖18%-24%、还原糖16%-22%、尼古丁2.4%-2.6%、总氮1.9%-2.1%、蛋白质6%-10%、两糖差2.3%-3.4%，化学成分在此范围内的烟叶品质较好（金闻博等，2000；刘国顺，2003；闫克玉和赵铭钦，2008；韩富根，2010；唐珂等，2011）。近年来，主成分分析法（Principal components analy-sis，PCA）已广泛应用于烟草品种的筛选及质量评价研究领域（杨再波等，2006；李国栋等，2008；刘春奎等，2015；张朝等，2015）。聚类分析法（cluster anal-ysis）也已广泛用于烟草化学品质分析（刘杰等，2009）及其模型建立（申钦鹏等，2005）。[本研究切入点]至今，鲜见将主成分分析法和聚类分析法结合分析烟草种质资源化学成分的研究报道。[拟解决的关键问题]以普遍认可的烟叶化学成分适宜范围衡量124份烤烟种质资源的烟叶化学品质，结合主成分分析法和系统聚类分析法对其进行分析，以期筛选出化学品质优良的烤烟种质资源，为烟草育种亲本选择及其种质资源有效利用提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料

供试的124份烤烟种质资源是从中国农业科学院公布的446份核心种质中挑选出来，具体来源见表1。烤烟种子均由云南省烟草农业科学研究院种质库提供。

1.2试验设计及取样

田间试验采用随机区组设计，3次重复，每小区种植20株，株行距1.20cm×0.50cm。施肥量97.5kg/ha，氮：磷：钾=1：1：3，以30%复合肥作底肥，其余肥料于栽后20d作为追肥施用。5月底～6月初进行培土，及时防治病虫害，每周除草1次。打顶后在田间标记中部叶片（从下往上第8-13叶位），分小区采收成熟烟叶，编杆后进行烘烤，选出标记的中部叶片送至云南省烟草农业科学研究院进行常规化学成分检测。

1.3原始数据标准化处理

由于原化学指标的量纲不统一、数量级差异也较大，因此，为消除量纲和数量级对综合评价带来的不良影响，须对各化学指标进行标准化处理。10项化学指标按烟叶品质的适宜指标（该指标含量在一定范围内，表明烟叶品质最好，超出该范围的烟叶品质较差）进行标准化处理。由于钾含量越高，烟叶品质越好，故以钾含量最高的数值进行标准化处理。由于各类型化学指标适宜范围（评价标准）的确定是一个复杂而长期的过程，因此，目前主要根据历史文献和专家经验进行确定（金闻博等，2000；刘国顺，2003；李国栋等，2008；韩富根，2010；闫克玉和赵铭钦，2008；唐珂等，2011），具体见表2。

1.3主成分分析与系统聚类分析

在原始数据标准化处理的基础上，利用DPS数据处理系统（唐启义，2010）进行主成分分析，并计算主成分综合得分（各提取主成分得分与该主成分贡献率的乘积之和）；应用欧氏距离法对计算各种质综合得分的距离，以欧氏距离衡量各种质问品质差异，采用重心法进行系统聚类分析。

2结果与分析

2.1相关性分析结果

对124份烤烟资源的10项化学指标进行标准化处理，并计算各化学指标间的Pearson简单相关系数，结果如表3所示。总糖与还原糖、总氮、糖碱比、蛋白质呈极显著正相关（P<0.01，下同）；还原糖与总氮、糖碱比、蛋白质呈极显著正相关；烟碱与糖碱比、氮碱比、两糖差呈极显著正相关，与蛋白质呈显著正相关（P<0.05，下同）；钾与氯、糖碱比呈显著负相关。综上所述，烟叶各化学成分间有一定的相关性，故直接利用烟叶化学成分组成及含量对烟叶进行评价，会产生信息重叠，导致评价结果出现偏差（李国栋等，2008）。

2.2主成分分析結果

10项化学指标相关矩阵的特征根、贡献率及累计贡献率的计算结果显示，前6个特征根的累计贡献率为89.6602%，其特征向量和贡献率如表4所示。第一主成分的贡献率为33.3384%，总糖、还原糖、糖碱比和蛋白质的特征向量均为较大正数，说明第一主成分是烤烟化学品质的主要决定因子；第二主成分的贡献率为16.1007%，其中烟碱和氮碱比的特征向量均为较大正数，说明烟碱和氮碱比对第二主成分贡献较大；第三主成分的贡献率为13.2597%，其中钾的特征向量为较大正数，说明钾对第三主成分贡献较大；第四主成分的贡献率为10.3833%，其中氯的特征向量为较大负数，说明氯对第四主成分贡献较大；第五主成分的贡献率为8.7098%，其中两糖差的特征向量为较大负数，说明两糖差对第五主成分贡献较大；第六主成分贡献率为7.8684%，其中总氮的特征向量为较大正数，说明总氮对第六主成分的贡献较大。

根据主成分计算公式可获得6个主成分与10项化学指标的线性组合，计算出124份烤烟资源的主成分综合得分，结果如表5所示。中烟90得分最高，其次是SC58，随后依次是白花205、G-28、云烟85、K730、吉烟5号、NC27NF、小黄金1025和T29等；得分较低的种质资源有KY151、高大烟、KRK22、T64、K346、云烟201、Vesta 33、1-35、云烟99和Special 400等。根据种质资源综合得分越高其化学品质越好的原则判定，可知中烟90的化学品质最佳、KY151的化学品质最差。

2.3系统聚类分析结果

采用离差平方和法对综合得分进行系统聚类分析，结果如图1和表6所示。按距离系数7.0截取，可将124份烤烟种质资源分成七大类（图1），各类的种质资源名称及其数量见表6。第1类的主成分综合得分为2.040，包括42份种质，其中云烟87、云烟317-2、NC82、中烟90、G-80、云烟97、G-28、云烟85、RG17、K326和龙江911为全国烟草品种审定委员会审（认）定品种（以下简称“审（认）定品种”）。第Ⅱ类的主成分综合得分为2.450，包括7份种质（春雷三号、T1706、T1245、山东多叶、581、K730和SC58）。第Ⅲ类的主成分综合得分为-1.360，包括20份种质，其中红花大金元、KRK26和云烟202等为审（认）定品种，NC2326为美国的标准品种。第Ⅳ类的主成分综合得分为-1.180，包括11份种质，其中长脖黄、中烟14、吉烟7号、贵烟11号、云烟99、中烟100等为审（认）定品种。第V类的主成分综合得分为-0.110，包括13份种质，NC89是北方区对照品种。第Ⅵ类的主成分综合得分为-1.380，包括23份种质资源，其中V2、G-140、龙江851和翠碧一号为审（认）定品种。第Ⅶ类的主成分综合得分为-3.700，包括8份种质，其中云烟201为审（认）定品种。

综上所述，多数全国烟草品种审定委员会审（认）定品种被聚在综合化学品质较好的第1类，但红花大金元、KRK26、云烟202、NC2326、台烟8号等审（认）定品种被聚在综合化学品质中等的第Ⅲ类。

2.4化学品质综合评价结果

各类烤烟种质资源的化学品质详见表7。

第1类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比和氮碱比的平均值分别为28.04%、24.45%、1.99%、2.32%、1.74%、1.23%、3.59%、9.93%、12.99和0.90；标准化后，还原糖、总氮、烟碱、钾和氮碱比的平均标准化值为0.90-0.98；总糖、糖碱比、蛋白质和两糖差的平均标准化值为0.80-0.89，氯的平均标准化值最低为0.73。说明该类的还原糖、总氮、烟碱、钾和氮碱比适宜，总糖、糖碱比、蛋白质和两糖差等指标较适宜。

第Ⅱ类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比和氮碱比等化学成分的平均值分别为25.60%、22.16%、2.06%、2.98%、1.59%、1.24%、3.44%、9.67%、9.27和0.73；标准化后，总糖、还原糖、总氮、烟碱、糖碱比、氮碱比和蛋白质等的平均标准化值分别为0.90-0.99，均在适宜范围，但钾和两糖差的平均标准化值较低，为0.75和0.45。说明该类的总糖、还原糖、总氮、烟碱、糖碱比、氮碱比和蛋白质适宜，其余指标不适宜。

第Ⅲ类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比、氮碱比等各化学成分的平均值分别为28.17%、24.70%、1.94%、2.67%、1.47%、1.15%、3.48%、9.27%、11.60和0.76；标准化后，总氮的平均标准化值为0.94，糖碱比、烟碱、总糖和还原糖的平均标准化值为0.80-0.89，钾、氯、两糖差和蛋白质的平均标准化值为0.68-0.79。说明该类的总氮为适宜，糖碱比、烟碱、总糖和还原糖较适宜，钾、氯、两糖差和蛋白质等指标不适宜。

第Ⅳ类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白質、糖碱比和氮碱比的平均值分别为25.47%、20.65%、2.02%、2.40%、1.64%、1.12%、4.83%、10.06%、11.49和0.88；标准化后，总氮、钾和氯的平均标准化值为0.93-0.98，总糖、还原糖和氮碱比的平均标准化值为0.81-0.88，烟碱、糖碱比、两糖差和蛋白质的平均标准化值为0.55-0.78。说明该类的总氮、氯和钾适宜，总糖、还原糖和氮碱比较适宜，烟碱、糖碱比、两糖差和蛋白质等不适宜。

第Ⅴ类烤烟的化学品质特点：标准化前，总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比和氮碱比的平均值分别为27.82%、24.10%、1.97%、2.51%、1.65%、1.18%、3.72%、9.58%、11.45和0.80；标准化后，总氮、烟碱、氯、氮碱比等平均标准化值为0.91～0.99，总糖、还原糖、糖碱比和两糖差的平均标准化值为0.80-0.85，钾和蛋白质平均标准化值分别为0.68和0.77。说明该类的总氮、烟碱、氯和氮碱比适宜，总糖、还原糖、糖碱比和两糖差较适宜。

第Ⅵ类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比和氮碱比的平均值分别为26.04%、23.10%、2.03%、2.72%、1.64%、1.33%、2.95%、9.75%、10.28和0.80；标准化后，总糖、还原糖总氮、糖碱比和蛋白质的平均标准化值为0.92-0.98，烟碱、钾、氯和氮碱比的平均标准化值为0.80-0.85，两糖差的平均标准化值为0.76。说明该类的总糖、还原糖、总氮、糖碱比和蛋白质适宜，烟碱、钾、氯和氮碱比较适宜。

第Ⅶ类烤烟的化学品质特点：总糖、还原糖、总氮、烟碱、钾、氯、两糖差、蛋白质、糖碱比和氮碱比的平均值分别为29.90%、23.99%、1.84%、1.96%、1.73%、1.10%、5.92%、9.39%、16.75和1.00；标准化后，氮碱比的平均标准化值为0.93，总氮、钾和氯的标准化值为0.80-0.89，总糖、还原糖、烟碱、糖碱比、两糖差、蛋白质的平均标准化值为0.53-0.69。说明该类氮碱比适宜，总氮、钾和氯较适宜，其余指标不适宜。

综上所述，第Ⅰ和Ⅱ类烤烟的主要化学成分较适宜，综合化学品质好，多数审（认）定品种和优质资源被聚在此类；第Ⅲ和Ⅴ类烤烟的总糖、还原糖、烟碱和糖碱比较高，综合化学品质中等；第Ⅴ和Ⅵ类烤烟的总糖、还原糖和钾较高，总氮、烟碱和蛋白质适宜，综合化学品质较好；第Ⅶ类烤烟的总糖和还原糖较高、烟碱较低、糖碱比较高，综合化学品质较差。

2.5系统聚类结果验证

目前，常用化学指标适宜范围衡量烟叶的品质，在适宜范围内的化学指标越多，表明烟叶品质越好。本研究用化学指标适宜范围对各种质进行分类，结果如表8所示。金星6007达7项适宜指标，白花205、春雷一号、春雷三号、G-28、中烟90和Kutsaga51E达6项适宜指标，保山团叶、寸茎烟、潘圆黄等11份种质资源达5项适宜指标，上述这些种质被聚在化学指标适宜、品质较好的第Ⅰ和Ⅱ类。达2-3项适宜指标的多被聚在第Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ类。达0-1项适宜指标的2个种质（T64和KRK22）被聚在品质差的第Ⅶ类。表明聚类分析结果准确可靠。

3讨论

通过化学指标标准化处理，用化学指标适宜范围衡量烟叶的品质，在适宜范围内的化学指标项数越多，且与适宜值越接近，烟叶品质越好。同时，通过主成分分析和系统聚类分析，将化学品质接近的归为一类，以此可筛选出品质优良的种质资源，便于烤烟资源的有效利用。但其具有局限性，因为以化学指标适宜值为中心向两头分化，偏离中心值（适宜值）越多，标准化值越小，而标准化值只能衡量偏离中心值的远近，无法判断比中心值高或低。因此，烟叶化学成分分析评价方法有待进一步提高。

因烟草类型、地域来源等不同，烟叶化学成分指标适宜范围划分存在明显差异。整体来看，优质烤烟要求总糖18%-22%，还原糖16%-20%，总氮1.5%～3.5%，烟碱1.5%～3.5%，钾>2%，氯0-3%～0.8%，糖碱比8-12，氮碱比≤1，钾氯比>4（李永忠等，2011；肖雅等，2012；闫洪洋等，2012；董高峰等，2015；耿召良等，2015）。但还要考虑其他因素的影响，如云南地处高原，昼夜温差大，干物质积累较多，导致云南种植的烟叶总糖含量较高，而第一主成分的贡献率最大（33.3384%），因此，总糖含量高于适宜范围的资源，如红花大金元、云烟202、云烟203、云烟99和云烟201等，其化学成分综合得分会下降，造成这些优质的推广品种被聚在化学品质中等的类别。但云南广泛种植的烤烟K326主要化学成分总体协调，被聚在第1类，其特点为总糖和还原糖含量较高，总氮含量、烟碱含量、氯含量、糖碱比、氮碱比和钾氯比均较适宜（高云才等，2014，2015）。

单纯分析化学成分对品质的影响有一定局限性，应深入全面研究。李勇等（2013）、逄涛等（2014）、王世沛和温圣贤（2012）分别研究了国内外烤烟、土壤类型、品种和地域等对烟叶质量的影响，结果表明，我国烤烟的总氮、多酚、氯、钾、挥发酸、挥发碱、总植物碱、石油醚提取物等指标显著低于国外烤烟，而蛋白质、总糖、还原糖、糖碱比、氮碱比则显著高于国外烤烟；土壤类型对红花大金元烟叶化学成分影响较大，对云烟85和云烟87影响较小；不同品种和地区间烟叶化学成分含量均存在显著差异。近年来，我国在烟叶感官品质、香气品质、致香物质及种质聚类分析和模型建立等方面的研究取得一定成效（申钦鹏等，2005；杨再波等，2006；李国栋等，2008；赵会纳等，2009；唐珂等，2011；李勇等，2013；刘杰等，2009），筛选出优质烤烟种质资源用于育种和生产，以提高资源利用率。今后应加强烤烟种质资源的致香成分、感官质量等多方面的研究，对烟草种质资源品质进行全面系统评价。

4结论

各类烤烟种质资源的化学成分存在明显差异，其中金星6007、白花205、春雷一号、春雷三号、G-28、中烟90、K326、Kutsaga 51E、保山团叶、寸茎烟、潘圆黄、581永定一号、吉烟7号、Kutsaga E1、SC58和T.I.706、朝鲜抗赤等化学品质较好的种质资源，可作为亲本材料用于烟草新品种选育。

（责任编辑陈燕）