基于主成分分析和聚类分析的南通地区芋种质资源品质性状研究

顾 绘，陈美丽，魏唐祺

(南通科技职业学院，南通226007)

顾绘，陈美丽，魏唐祺.基于主成分分析和聚类分析的南通地区芋种质资源品质性状研究[J].上海农业学报，2020，36(4)：31-36

芋[Colocasia escultenta(L.)Schott]为天南星科芋属多年生草本植物，主要食用器官为地下球茎，具有丰富的营养成分，每100 g 芋中含淀粉69.6—73.7 g[1-2]、蛋白质1.75—2.30 g、脂类0.47—0.68 g、钙59—169 mg、磷113—274 mg、铁4.2—5.0 mg[3]。 芋作为重要的粮菜兼用作物和出口创汇蔬菜，种植面积逐年扩大。 芋品质形成是基因型、环境因素及栽培措施共同作用的结果，指标较多，且各指标间存在一定的相关性和相对独立性。 目前，对芋品质性状的研究主要集中在品种、环境因子或栽培措施差异引起的变化等方面，关于对芋品质性状进行主成分分析和聚类分析的研究相对较少。

主成分分析法是指在不损失或很少损失原有信息的前提下，利用降维思想，将众多指标因子转化为少数几个互不相关的综合因素，从而解析出主要影响因素[4]。 主成分分析法适用于对多指标的综合分析，是一种有效的简化多指标分析的方法。 关于对品质性状进行主成分分析和聚类分析的研究，前人在大豆[5-7]、扁豆[8]、棉花[9-10]、水稻[11]、梨[12]、蜜橘[13]、桃[14]、板栗[15]等作物方面已有报道。 如奚广生等[6]利用主成分分析将14 个大豆品种的农艺及品质性状指标归纳为5 个主成分因子，并利用聚类分析将18个品种划分为5 个类型；宋江峰等[7]采用主成分分析和聚类分析法对菜用大豆品质评价进行了研究，提高了菜用大豆品种品质性状选择的效率，优化了菜用大豆品质评价体系；姜永平等[8]采用主成分分析和聚类分析法对扁豆的10 个主要农艺性状进行分析，研究了影响扁豆产量的主要因子及品种间的遗传距离。 本研究以南通地区24 份芋种质资源为材料，对其9 个品质指标进行主成分分析和聚类分析，以了解南通地区芋种质资源的品质特点及主要性状差异，为南通地区芋种质资源利用与育种中亲本性状的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

从南通各县及乡镇收集24 份芋种质资源材料，并将材料按乡镇和收集顺序进行编号(表1)。 试验地位于南通如皋市恒宇蔬菜种植园，早春起垄，垄宽100 cm，高20 cm，垄面宽60 cm。 选择20—30 g 规格基本一致的健壮无病的子芋作为种芋，播种前用25%嘧菌酯悬浮液+50%多菌灵可湿性粉剂600 倍液浸泡10 min 左右，捞出晾干。 2016 年3 月25 日播种，株距40 cm，化学除草，覆盖黑色地膜，出苗后选晴天早晨或傍晚破膜放苗。 每小区156 株，小区面积约为26 m2。 采用随机区组设计，3 次重复，其他栽培管理措施按芋高产栽培技术方案进行。

表1 参试芋种质资源Table 1 The tested germplasm resources of taro

1.2 方法

所有芋种质资源于9 月下旬挖取地下球茎，各材料均随机取子芋及孙芋各10 个，清洗干净后去皮，切成0.5 mm 厚的薄片混合均匀，作测试用。 品质指标测定项目包括：含水量、淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、粗蛋白含量、可溶性糖含量、粗纤维含量、直链淀粉含量和支链淀粉含量。 含水量采用直接干燥法测定[16]，淀粉和可溶性糖含量采用蒽酮法测定[17]，粗脂肪含量采用索氏提取法测定[18]，粗蛋白含量采用凯氏定氮法测定[19]，纤维素含量采用酸洗法测定[20]，支链淀粉和直链淀粉含量采用双波长法测定[21]，灰分含量采用直接灰分法测定[22]。

1.3 数据分析

不同芋种质资源的主要品质性状间采用Duncan’s 新复极差法进行差异显著性检验。 应用DPS 7.05数据处理软件对芋品质指标进行主成分分析，采用欧式距离作为度量标准，用离差平方和法对样本进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 南通地区芋种质资源品质指标的一般性描述

2.1.1 品质指标间差异

由表2 可知，不同地区芋种质资源的品质存在一定差异，其中变异系数最大的指标为直链淀粉含量，变化幅度为4.37%—23.41%，变异系数为47.92%，属中等变异；其余品质指标的变异系数大小依次为：可溶性糖含量＞粗纤维含量＞灰分含量＞粗脂肪含量＞支链淀粉含量＞粗蛋白含量＞淀粉含量＞含水量，其中含水量变异系数、淀粉含量变异系数、粗蛋白含量变异系数分别为6.19%、9.47%、9.57%，均小于10%，为弱变异；其他指标变异系数在10%—40%，为低等变异。

表2 不同地区芋种质资源品质指标差异Table 2 Differences in quality indexes of taro germplasm resources in different regions %

2.1.2 指标间相关性检验

各指标间存在相关性是进行主成分分析的前提，对不同芋种质资源主要品质指标进行相关性检验表明：各指标间均存在显著或极显著的相关性，相关系数绝对值最高的是含水量和可溶性糖含量，其相关系数为-0.996，呈极显著的负相关关系，可溶性糖易溶于水，含水量高则可溶性糖含量低(表3)。

表3 南通芋种质资源主要品质的相关性分析Table 3 Correlation analysis of main quality of taro germplasm resources in Nantong

2.2 南通地区芋种质资源主要品质性状主成分分析

对24 个芋种质资源的9 个品质性状进行主成分分析，9 个特征根及其相应的贡献率如表4 所示。 作为判断主成分个数的标准，主成分累计方差贡献率过高，则简化效果弱，过低则会丢失过多信息量。 参考前人[23-24]的研究，以主成分方差贡献率≥85% 作为提取主成分标准。 前3 项主成分累计贡献率为91.045%，表明前3 项主成分可以表达原始数据提供品质性状信息的90%以上，用前3 项主成分信息足以代替原数据信息，可将这3 个成分作为评价芋品质性状的主成分。

表4 芋种质资源主要品质性状的主成分分析Table 4 Principal component analysis of main quality traits of taro germplasm resources

由表5 可知，在第一主成分的特征向量中，可溶性糖含量的主成分载荷最高且符号为正，主成分载荷为0.415，含水量为符号为负的主成分载荷最高，为-0.419，说明第一主成分是以可溶性糖含量和含水量的影响为主，灰分含量和粗脂肪含量的影响为辅；在第二主成分中，直链淀粉含量主成分载荷最高，为0.603，其次是粗蛋白含量，支链淀粉含量为符号为负的主成分载荷最高，为-0.542，说明第二主成分是对直链淀粉含量、粗蛋白含量和支链淀粉含量的综合描述；在第三主成分中，淀粉含量的主成分载荷最高，为0.652，说明第三主成分是以淀粉含量的影响为主，粗脂肪含量的影响为辅。

表5 芋种质资源主要品质性状的3 个主成分特征向量分析Table 5 Three principal component eigenvector analysis of main quality traits of taro germplasm resources

2.3 南通芋种质资源主要品质的聚类分析

24 个芋种质资源的每个主成分分值组成主成分向量(表6)，任意2 个材料主成分向量间的几何距离为材料间的遗传距离D2。 根据主成分向量计算得到24 个材料间的遗传距离共276 个，平均遗传距离为3.986，其中如皋下原村香堂芋与如皋天河桥村白堂芋的遗传距离最大，为10.577；海门孝汉村香沙芋与海门长圩村香沙芋的遗传距离最小，为0.371。 在276 个遗传距离中，小于2 的占18.84%，大于7 的占4.71%，可以看出本试验收集的芋种质资源来源相对单一，因此需要加大对外来种质资源的引进，丰富本地芋种质资源。

表6 24 个芋种质资源的3 个主成分特征向量Table 6 Three principal component eigenvectors of 24 taro germplasm resources

根据276 个遗传距离D2值，将24 个芋种质资源进行聚类分析，结果表明：在欧式距离D2=8.96 处，24 份芋种质资源可以分为3 类(图1)。 第I 类是以如皋地区香沙芋为主的8 份种质，该类群的淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纤维含量和支链淀粉含量高，含水量和粗蛋白含量低，直链淀粉含量适中；第II 类是以海门地区香沙芋为主的8 份种质，该类群的粗蛋白含量和直链淀粉含量高，淀粉含量、含水量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量和粗纤维含量适中，支链淀粉含量低；第III 类是包括如东、通州等地的8 份香沙芋种质，该类群的含水量高，淀粉含量、灰分含量、粗脂肪含量、可溶性糖含量、粗纤维含量和直链淀粉含量低，粗蛋白含量和支链淀粉含量适中(表7)。

表7 南通芋种质资源各类群的特征Table 7 Characteristics of different groups of taro germplasm resources in Nantong %

3 讨论与结论

在本试验中，由9 个品质指标反映的芋品质可用3 个主成分来表示，其累计贡献率达91.045%，且各性状的贡献率集中。 本试验中第一主成分的方差贡献率为60.101%，主要为可溶性糖含量和含水量的综合描述，可溶性糖含量与含水量成极显著负相关关系，这与前人研究结果一致[25]。 可溶性糖是淀粉合成的重要原料，因此，可称第一主成分为淀粉合成因子。 第二主成分的方差贡献率为23.300%，主要为粗蛋白含量、支链淀粉含量和直链淀粉含量的综合描述。 支链淀粉含量和直链淀粉含量的载荷符号相反，两者是淀粉的两大组成部分，其比例是衡量淀粉质量的最常用指标，可反映芋口感的软糯程度，同时有研究推测淀粉和蛋白质含量的高低可能与芋的食味品质好坏有关[26]，因此，第二主成分可表示为食味因子。第三主成分的方差贡献率为7.644%，主要为淀粉含量的描述。 淀粉是大多数植物种子与块茎的主要组成部分，也是最主要的光合产量积累形式，是芋最重要的品质性状。 从以上分析可以得出，3 个主成分主要集中在淀粉的合成、质量及含量3 个方面。 因此，在优质品种选育时可加大对可溶性糖含量这一性状的选择力度，同时考虑直链淀粉和支链淀粉的比例，粗蛋白含量可以适当提高，高淀粉含量的芋种质资源品质较优。 本研究在主成分分析基础上，利用系统聚类法将来自南通各地区的24 份芋种质资源分为三大类，第I 类主要分布于如皋地区；第II 类主要分布于海门地区；第III 类主要分布于通州、如东等地。 可见，具有相同地域来源的芋种质材料其主要品质指标基本一致。 南通地区芋种质是典型的无性繁殖，不同地域之间的品质差异可能是因为土壤、气候等差异长期诱导产生。 品质差异的存在便于挑选符合期望要求的优良种质，保留这些种质材料对保持南通地区芋种质资源的多样性具有极其重要的意义。