基于主成分分析与聚类分析的黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的综合评价

陈 璐，廖光联，杨 聪，黄春辉，钟 敏，陶俊杰，曲雪艳，徐小彪

(江西农业大学农学院/猕猴桃研究所，江西南昌330045)

猕猴桃(Actinidiaspp.)属于猕猴桃科(Actinidiaceae)猕猴桃属(ActinidiaLindl)植物，是一种浆果类落叶的多年生藤本植物[1]。猕猴桃果实风味独特，营养丰富，含有丰富的抗氧化性物质和人体所必需的氨基酸以及矿物质等营养成分，具有较高的经济和保健价值，广受消费者青睐，已被誉为“水果之王”。目前市场上销售的猕猴桃按成熟时果肉颜色分类，可分为绿色、黄色和红色[2]，且多为绿肉品种，黄肉和红心的猕猴桃品种相对较少。果实品质是猕猴桃生产中最重要的经济因素，果实品质的优劣直接影响其经济价值。随着人们生活水平和消费水平的不断提高，消费者对猕猴桃品种多样化和果实品质也越来越重视，因此生产优质具特异性状的猕猴桃是目前急需解决的问题。

猕猴桃果实品质分为果实外观品质与内在品质，各品质指标在果实评价方面主次区分不明显。1933年主成分分析被首次提出，由于多个变量之间都存在着相关性，通过将原来的变量重新线性组合成若干个互不相关的综合指标来代替原来的变量，并尽可能提取原来变量的信息来解释原有变量的协方差结构，即通过原来变量的少数几个线性组合来解释原来变量以实现降维的多元统计方法[3]，不仅保留了绝大部分信息，且主成分间相互独立，避免信息重复[4]，同时具备较强的代表性，增加了分析的可信度[5]。近年来，许多学者采用主成分分析法对枣[6]、猕猴桃[7-8]、苹果[9-10]、杨梅[11]、南丰蜜桔[12]、葡萄[13]、蓝莓[14]、草莓[15]和杏[16]等果实品质进行了分析和综合评价。而聚类分析是在不删减信息的前提下，根据一批样品的多个观测指标，具体找出一些能够度量样品或指标间相似程度的统计量，以这些统计量为划分类型的依据，把一些相似程度较大的样品聚为一类[17-18]。利用主成分分析法与聚类分析相结合的综合评价方法广泛地用于果实品质评价，如南丰蜜桔[19]、夏橙[20]、猕猴桃[21]、苹果[22]和桃[23]等果树的综合品质评价。然而，有关黄肉猕猴桃品种(系)的综合评价尚未见报道。据此，作者以江西省奉新县引进及选育的21个黄肉猕猴桃品种(系)为试材，通过测定其果形指数、单果质量、可溶性固形物、干物质、可溶性糖、可滴定酸、维生素C、类胡萝卜素、固酸比和糖酸比等主要果实性状，运用主成分分析法与聚类分析共同构建一个科学合理的黄肉猕猴桃果实品质评价体系，可为黄肉猕猴桃种质创新与品种改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料采自江西省奉新县猕猴桃研究所资源圃，选择奉新县目前引进栽培的‘庐山香’、‘云海1号’、‘怡香’、‘早鲜’、‘魁蜜’、‘金丰’、‘华优’、‘翠玉’、‘金什1号’、‘金桃’、‘金艳’和‘金果’12个品种，以及近年来在江西省境内筛选的9个黄肉猕猴桃优良品系，分别是‘宜黄1号’(YH-1)、‘宜黄2号’(YH-2)、‘奉黄1号’(FH-1)、‘奉黄2号’(FH-2)、‘奉黄3号’(FH-3)、‘奉黄4号’(FH-4)、‘武宁1号’(WN-1)、‘武宁2号’(WN-2)和‘武宁3号’(WN-3)，供试的21个黄肉猕猴桃品种(系)均属于中华猕猴桃(ActinidiachinensisPlanch)。供试材料为本砧6年生，水平大棚架栽培，土壤为沙壤土，地势平坦，土壤较肥沃。每个品种(系)选用长势相对一致的3棵树作为试验用树，单株小区，3次重复。在果实生理成熟期(SSC达7.5%)分期采集果样。随机采取猕猴桃树体东、西、南、北4个方向的果实共60个，立即运回实验室进行样品处理。

1.2 试验方法

成熟期果实采回来立即用电子天平称量单果质量，游标卡尺测定果形指数，其他果实性状指标待果实样品在室温下自然软熟后，即果实硬度达到1.0 kg/cm2左右时测定内在品质。可溶性固形物含量(SSC)用ATAGO(PAL-1)手持数显式糖度计测定[24]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定[25]，可滴定酸含量(TA)采用NaOH中和滴定法测定(以柠檬酸含量表示，系数0.07)[25]，维生素C含量采用2,6 - 二氯靛酚法测定[26]，类胡萝卜素含量用分光光度计进行测定，烘干法测其干物质含量。

1.3 数据处理

利用Excel 2010对数据进行整理和前处理，利用SPSS 20.0对测定数据进行单因素方差分析、主成分分析以及聚类分析。

2 结果与分析

2.1 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的分析

采用Duncan法对21个黄肉猕猴桃品种(系)果实主要性状进行差异分析，从表1中可以了解到黄肉猕猴桃果实品质指标在不同品种(系)间的基本关系，结果显示不同黄肉猕猴桃品种(系)果实的果形指数、单果质量、可溶性固形物含量、干物质、可溶性糖、可滴定酸、维生素C和类胡萝卜素在0.05的显著水平上存在着一定的差异性。

所测的21个黄肉猕猴桃品种(系)果实果形指数在0.91～1.51变化，最大的是‘金桃’，最小的是‘怡香’。单果质量在46.90～122.73 g变化，最大的是‘YH-2’(122.73 g)，最小的是‘WN-2’(46.90 g)，变化范围较大。‘WN-2’的可溶性固形物含量、干物质含量和可溶性糖含量均显著高于其他品种(系)，分别是21.97%、20.03%和15.33%。其中可溶性固形物含量与可溶性糖最低的均为‘金丰’，干物质含量最低的是‘金桃’。可滴定酸的变化范围为0.88%～1.76%，最高的是‘FH-2’，最低的是‘云海1号’。高维生素C含量是猕猴桃的一大特点，就维生素C含量而言，‘怡香’的维生素C含量为15.398 mg/kg，显著高于其他品种(系)；而‘云海1号’的维生素C含量(3.757 mg/kg)显著低于其他品种(系)。类胡萝卜素含量在0.014～0.046 mg/kg变化，含量最高的是‘怡香’，最低的是‘云海1号’。固酸比在6.90～20.28变化，最高的是‘云海1号’，最低的是‘金丰’。糖酸比在2.50～15.76变化，最大值约是最小值的6倍，差异很大，其中最高的是‘庐山香’、最低的是‘金丰’。通过对这10个主要果实性状的分析，说明各指标在不同品种(系)间存在着显著差异，也体现了黄肉猕猴桃的遗传多样性。

21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的变异分析见表2。变异系数反映的是物种进化保守性或遗传可塑性方面的不同差异程度[27]。根据21个黄肉猕猴桃品种(系)的果实主要性状的变异分析结果显示，不同果实性状的变异系数变化范围较大。其中变异系数最大的是维生素C(37.88%)，其次是糖酸比、固酸比、类胡萝卜素、可溶性糖、单果质量、可滴定酸、干物质含量和可溶性固形物，果形指数的变异系数最小(13.45%)，说明不同黄肉猕猴桃的果实品质存在很大差异，且变异范围广。

表1 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的差异分析

表内同列数字后不同英文字母表示差异达到显著水平，P≤0.05

Different letters in the same column indicate significant difference，P≤0.05

综合对不同黄肉猕猴桃果实品质的变异分析和单因素方差分析可知，不同品种(系)的果实品质存在很大的差异，说明不同猕猴桃品种(系)间的遗传变异丰富、变异范围广。然而，由于测定果实性状指标较多，测定的各指标体现着不同方面的果实品质，且存在着不同程度的相关性，果实品质的综合评价在方差分析中难以体现，需要对其进行综合品质分析与评价。

表2 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状变异分析

2.2 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的主成分分析

根据试验实际情况选取了果形指数、可溶性固形物、可溶性糖、干物质、可滴定酸、维生素C、类胡萝卜素、糖酸比和固酸比共9个果实性状因子作为主成分分析的评价指标。通过SPSS 20.0进行主成分分析，

表3 9个主成分的特征向量、特征值、贡献率及累计贡献率

9个主成分的特征向量、特征值、贡献率及累计贡献率如表3所示，前3个主成分(特征值>1.0)的累计贡献率达到79.12%，即前3个主成分能代表所测定黄肉猕猴桃果实79.12%的信息量，解释了绝大部分的原始信息。由各特征向量值和贡献率可以得出，第1主成分的贡献率最大，达到了42.508%，特征值为3.826，主要由糖酸比、固酸比、可溶性糖、可溶性固形物、维生素C和可滴定酸决定；第2主成分的贡献率为20.344%，特征值为1.831，主要由可滴定酸、果形指数和干物质含量决定；第3主成分的贡献率为16.269%，特征值为1.464，主要由类胡萝卜素和维生素C决定。其中维生素C在第1、3主成分中出现，可滴定酸在第2、3主成分中出现。

2.3 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的综合评价

利用SPSS 20.0进行主成分分析，得到各样品的主成分分值，同时参考刘科鹏等[28]提出的计算方法得出综合分值Dn。以所选主成分对应的贡献率占所提取的3个主成分的贡献率总和的比例为权重，计算各样品前3个主成分的分值与相应权重的乘积累加，得到综合分值Dn，以此来评价不同黄肉猕猴桃综合品质的优劣。综合评价得分(Dn)=F1×0.537 3 +F2×0.257 1+F3×0.205 6。

从综合品质性状上看，综合分值Dn越高，综合品质表现越好。不同黄肉猕猴桃的主成分得分及综合评价的分析结果显示(表4)，其中综合分值排名前5位的分别为‘WN-2’、‘云海1号’、‘庐山香’、‘华优’和‘金果’，说明这几个品种的综合品质表现较好；‘YH-2’、‘FH-1’、‘FH-3’、‘魁蜜’、‘翠玉’、‘WN-3’、‘怡香’、‘早鲜’、‘WN-1’和‘金艳’得分居中，表现一般；而‘金桃’、‘金什1号’、‘FH-4’、‘YH-1’、‘金丰’得分较低，说明其在奉新地区综合表现较差。

表4 不同黄肉猕猴桃的主成分得分及综合评价

2.4 21个黄肉猕猴桃品种(系)主要果实性状的聚类分析

图1 不同黄肉猕猴桃主要果实性状的聚类分析Fig.1 Cluster analysis diagram on main fruit characters of different yellow flesh kiwifruit

基于21个黄肉猕猴桃品种(系)的9个果实性状指标，利用SPSS 20.0进行数据标准化之后，采用Ward法进行系统聚类分析并绘制树状图。由聚类结果可知，‘FH-4’、‘金什1号’、‘金丰’、‘FH-4’、‘金什1号’和‘金丰’在欧式距离为15时被首先分离出来，因其可滴定酸含量很高和糖酸比很低，与其他品种相差甚大，因此单独分为一类。在欧氏距离5处，21个黄肉猕猴桃品种(系)被进一步细分成了6类。第Ⅰ类包括‘华优’、‘金果’和‘WN-2’，这一类聚集了可溶性固形物、干物质含量和可溶性糖含量最高与干物质、糖酸比、固酸比和类胡萝卜素含量较高的品种。第Ⅱ类包括‘YH-2’、‘云海1号’和‘庐山香’，这一类聚集了固酸比最高、可滴定酸最低与干物质含量、可溶性糖和糖酸比较高的品种。第Ⅰ类和第Ⅱ类的聚类结果与主成分分析综合评价得分排在前面的品种基本一致，果实品质相对较好。第Ⅲ类包括‘WN-3’、‘金艳’、‘FH-1’和‘FH-2’，聚集了可溶性糖和可滴定酸较高、维生素C含量较低的品种。第Ⅳ类包括‘早鲜’、‘金桃’、‘FH-3’和‘翠玉’，这一类聚集了维生素C含量、类胡萝卜素含量和糖酸比较高的品种。第Ⅴ类聚集了‘YH-1’、‘WN-1’、‘魁蜜’和‘怡香’，这一类聚集了果形指数较小、维生素C含量和可滴定酸较高与可溶性固形物和糖酸比较低的几个品种。第Ⅵ类包括‘FH-4’、‘金什1号’和‘金丰’，这一类聚集了果形指数较大、可滴定酸含量较高与维生素C含量和糖酸比较低的品种。第Ⅴ类和第Ⅵ类的聚类结果与主成分分析综合评价得分排在后面的品种基本一致，果实品质相对较差。

3 结论与讨论

主成分分析法是从特征向量和累计贡献率大小来决定主成分的组成因子，而聚类分析是根据果实性状的相似性测度来区分评价因素的类别，将两者结合分析能够更科学地评价果实品质[29]。猕猴桃果实品质主要包括果形指数、单果质量、糖、酸、维生素C、干物质等指标，正是这些独立又相关的品质指标共同构成了猕猴桃果实的独特风味。由于品质指标的量纲对评价体系的影响不一样，在对数据进行分析时往往需要对原始数据进行处理或转化[30]。刘科鹏等[28]和马庆华等[31]在对猕猴桃和冬枣的综合评价中，采用隶属函数法对数据进行转化。但目前对于综合评价的果实性状的分类还缺少统一的标准[32]，还有待继续完善果实评价体系。由于SPSS在进行主成分分析时已嵌有标准化过程，进行主成分分析时不需要对变量进行标准化处理[33]，因此在本研究中对原始数据未进行转化；而聚类分析中若参与聚类的变量的量纲不同则会得到错误的结果，因此在聚类分析前对变量值进行了标准化。

本研究的试验结果显示，不同品种(系)的黄肉猕猴桃的主要果实性状存在较大差异，除单果质量外，其他结果与付隆生等[21]对‘海沃德’的研究结果一致，由于试验样品来自不同品种，因此在本研究中单果质量方面的结论不一致。本试验结果与袁华玲等[34]对黄肉猕猴桃‘金艳’、‘金果’和‘金桃’的果实品质研究结果有所差异，可能是由于地理环境和生长环境的不同而导致。果实品质变异分析中，维生素C的变异系数最大(37.88%)，变异系数最小的是果形指数(13.85%)。通过主成分分析，对21个黄肉猕猴桃品种(系)果实的主要性状指标进行综合和简化，从9个指标中提取的3个主成分的累计贡献率达到79.121%，反映了绝大多数的原始信息，这3个主成分可代替9个果实性状进行分析。利用权重线性加权求和的方法对这3个主成分的得分进行累加，在客观上反映了不同果实品质的综合情况，综合得分由高到低依次为‘WN-2’‘云海1号’‘庐山香’‘华优’‘金果’‘YH-2’‘FH-1’‘FH-3’‘魁蜜’‘翠玉’‘WN-3’‘怡香’‘早鲜’‘WN-1’‘金艳’‘金桃’‘金什1号’‘FH-4’‘YH-1’‘金丰’。21个黄肉猕猴桃品种(系)在欧氏距离5处分成6类，将关系近的聚成一小类，关系远的聚成一大类，其聚类结果在一定程度上反映了各果实性状在不同品种间存在较大差异。根据主成分分析综合评分与聚类分析结果的比较，聚类分析与主成分分析综合得分排名对21个黄肉猕猴桃品种(系)分类的判定结果较为一致，这也表明利用主成分分析和聚类分析可以进行果实品质的综合评价。

前人在利用主成分分析对果实进行综合评价方面有许多相关的研究报道，刘科鹏等[28]、李伟等[35]利用主成分分析法分别建立了‘金魁’猕猴桃、杨梅的果实品质综合评价体系。倪志华等[12]、张海英等[20]和雷莹等[23]采用主成分分析和聚类分析分别对南丰蜜桔、桃和夏橙果实的品质指标进行简化。由于考虑到本研究中针对主要果实性状进行分析，指标不够全面，果实品质性状综合评价还应考虑其产量、抗逆性、适应性、耐贮性等，后续还需进行更全面、更深入的研究，因此本文中不进行品质指标的简化提取。果实品质除了受品种(系)本身遗传特性影响外，还可能受其成熟期、倍性以及生长环境与原始生长环境差异的影响。本文通过对果实品质各性状指标的差异分析、主成分分析和聚类分析，对不同品种(系)的黄肉猕猴桃果实品质进行综合评价，构建黄肉猕猴桃的果实品质综合评价体系，可为合理开发利用黄肉猕猴桃种质资源以及引种栽培奠定理论基础。