近10 a黄淮冬麦区北片水地区试小麦品种（系）品质的主成分分析

郝建宇，郭利磊，王 敏，曹 勇，马小飞，张定一，姬虎太

（1.山西农业大学小麦研究所，山西临汾040000；2.全国农业技术推广服务中心，北京100125）

小麦（Triticum aestivumL.）是被广泛种植的禾本科植物，世界上约40%的人口以小麦为主食[1]。我国作为最大的小麦生产国和消费国，2019年小麦播种面积和产量分别占我国粮食总播种面积的20%和粮食总产量的20%[2]，对于保障国家粮食安全意义重大。其中，秋播、耐寒的冬小麦能够利用冬季和早春的自然资源[3]，在相对较长的生育期里积累较多的有机物且品质佳[4]，主要种植在我国黄淮平原北部[5-6]。近年来，我国小麦连年丰收，新品种在增产中发挥了重要作用，小麦良种对于增产的科技贡献率已经达到45%以上[7]。小麦区域试验是品种审定推广的前提条件，通过科学、公正、客观地评价新育成小麦品种（系）的高产稳产、抗性及品质[8]，可为新品种审定奠定基础[9]。我国小麦区域试验有相关技术规程指导[10]，新品种审定也有据可依[11-12]，国审小麦新品种品质主要选择了容重、籽粒蛋白、湿面筋、吸水率、稳定时间、拉伸面积和最大阻力7个指标[11]。

但是目前小麦品质测试仪器比较多，测试指标及定等指标众多，重复性较高，寻找一种简捷的品质测定方法尤为重要[13]。主成分分析是多元统计分析中的重要方法，可在不丢掉主要信息的前提下，避开变量间共线性问题，从多个实测变量提取较少、互不相关的综合指标，从而反映总体信息[14]。多个变量在主成分降维处理后，其结果可以进一步进行聚类分析[15-16]。主成分分析法应用于小麦品质评价的研究相对比较少。孙彩玲等[15]研究297份山东省区试小麦品种（系）得出，面筋指数、沉淀值、形成时间和稳定时间是影响小麦品质的主要因素；孙宪印等[17]探究了15份黄淮北片冬小麦品种（系）的情况，把9个主要品质指标压缩成营养因子、加工因子、容重因子、吸水率因子，对小麦品质贡献由大至小的4个因子依次为加工因子>营养因子>容重因子>吸水率因子；高欢欢等[18]研究结果表明，30份新疆春小麦的23个品种性状指标归于8个主成分，分别是淀粉糊化特性、粉质参数、蛋白质含量、降落数值、直链淀粉含量、面筋指数、峰值时间和沉淀值。

本研究以172份黄淮冬麦区北片水地组区试冬小麦品种（系）为材料，利用主成分分析和聚类分析方法分析容重、籽粒蛋白、湿面筋、吸水率、稳定时间、拉伸面积和最大阻力等7个品质指标，综合评价区试品种（系）的品质状况，旨在为评价小麦品质提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2009—2018年，参加国家黄淮北片冬小麦区域测试的品种（系）共172个，由全国农业技术推广服务中心提供。

1.2 试验方法

试验选取土壤肥力均匀且具有代表性的地块种植。试验材料采用完全随机区组排列，3次重复，小区面积13.34 m2，不少于6行区，试验区四周设不少于2个小区的保护行。播种量为基本苗300万株/hm2左右。当年10月1日至10月15日播种，大田管理按照当地小麦管理技术进行，次年全区收获。全区机械收获晾晒后储藏作为品质测试材料。

1.3 测定项目及方法

容重[19]、籽粒蛋白[20]、湿面筋[21]分别按照GB/T 5498—2013、NY/T 1094.2—1982和GB/T 5506.2—2008标准方法测定；吸水率和稳定时间采用电子型粉质仪按照GB/T 14614—2006方法测定[22]；拉伸面积和最大阻力用电子型拉伸仪按照GB/T 14615—2006方法测定[23]。

1.4 数据统计

数据采用Office 2010进行整理，采用SPSS 24.0进行主成分分析。主成分分析首先将值不同、符号不同的原始变量进行标准化值转化，消除量纲使其具有可比性；随后采用降维思想将多个有联系的品质性状转换为几个特定的具有代表性、总结性的指标。在进行主成分分析数据标准化之前，用绝对值的方法要将值处理为正数。

2 结果与分析

2.1 黄淮冬麦区北片水地组小麦品质的相关性分析

指标间存在相关性是进行主成分分析的必要前提[24]，因此，在进行主成分分析前，先对小麦各品质指标进行相关性分析。由表1可知，容重和湿面筋含量分别与吸水率、稳定时间、拉伸面积和最大阻力呈极显著相关性（P＜0.01），稳定时间与拉伸面积和最大阻力呈极显著相关（P＜0.01），湿面筋含量与籽粒蛋白质呈极显著相关（P＜0.01），籽粒蛋白和吸水率呈显著相关（P＜0.05）。原因可能是由于吸水率不仅与小麦品种和其种植过程的有机物积累有关，还主要由籽粒质量和小麦磨粉过程决定[25]，稳定时间和拉伸面积反映面粉面筋的强度和韧性，主要由面筋蛋白质量决定。

表1 小麦品种（系）品质指标相关性分析

2.2 黄淮冬麦区北片水地组小麦品质的主成分分析通常取特征值累计贡献率达80%，或特征值大

于1，或特征值统计检验显著水平P＜0.05时的主成分数来解释结果[14]。主成分分析作为综合评价工具，只有第1主成分才是评价的综合指标，其他主成分一般不具有综合评价功能。但如果第1主成分贡献率较低时，为增加信息量就采用按方差作为权重进行几个主成分相加，从而保留原始数据中大部分乃至所有信息[14]。

由表2可知，第1主成分的贡献率为44.186%，第2主成分的贡献率为26.074%，前2项主成分累计贡献率为70.261%；第3主成分贡献率为15.385%，前3项主成分的累计贡献率达到85.646%。表明前3项主成分足以代表小麦的品质信息。

表2 小麦品质指标的特征值及贡献率

由表3可知，第1主成分主要包含稳定时间、拉伸面积和最大阻力，反映面团流变学特性；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉湿面筋含量，反映小麦蛋白质特性；第3成分主要包含容重和吸水率，与面粉出粉率相关指标。其中，第1主成分中的稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力权重系数均达到0.9以上，结合表2可知，第1主成分贡献率达到了44%以上。因此认为，这3个因素是影响小麦品质的主要因素。

表3 成分矩阵

构建各主成分与小麦品质各指标之间的线性关系得出，第1主成分Y1＝0.137X1－0.089X2－0.172X3－0.024X4＋0.291X5＋0.293X6＋0.301 0X7，第2主 成 分Y2＝0.124X1＋0.465X2＋0.430X3＋0.294X4＋0.115X5＋0.159X6＋0.080X7，第3主成分Y3＝0.615X1－0.304X2－0.153X3＋0.613X4－0.155X5－0.139X6－0.121X7。

由表4可知，排名靠前的山农116、淄麦28、济麦44通过了山东省强筋小麦品种审定，排名第3的新麦28（原名新麦0208）通过了2014年河南省强筋小麦品种审定；排名第10的泰科麦33通过了2018年国家中强筋小麦品种审定；排名前25名通过国家中筋小麦审定的品种有3个，分别是山农2149、中麦155、尧麦16，通过河南省审的品种有1个，即河农5290。本研究结果样品品质综合得分和实际表现基本吻合，且可较系统直观地判断品种（系）性状的优劣，故而此方法可应用于小麦品种（系）品质评价，对育种工作和品种（系）评价提供依据。

表4 主成分分析综合得分排名

续表4

3 结论与讨论

小麦品种品质指标众多，相互影响，关系复杂。以主成分分析法剖析小麦的众多品质指标可以在不丢掉小麦品种及其面粉主要信息的前提下，避开各指标间共线性问题，从多个实测指标中提取出较少且互不相关的综合指标，从而反映小麦品种籽粒和面粉的综合信息。加工品质性状是对种质资源进行评价的重要标准，目前小麦的新品种审定注重品质指标，不断优化区试审定评价指标。通过对2009—2018年10 a间172份参加国家小麦品种审定的品种（系）的7个品质审定指标进行主成分分析，结果显示，第1主成分主要包含稳定时间、拉伸面积和最大阻力，反映面团流变学特性，其累计贡献率为44.186%；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉湿面筋含量，反映小麦蛋白质特性，前2项主成分累计贡献率为70.261%；第3主成分主要包含容重和吸水率，前3项主成分累计贡献率为85.646%，前3项主成分足以代表原指标信息，其中，稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力权重系数达到0.9以上，得出稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力是影响小麦品质的主要因素，该结果可为提高品质育种选择效率以及为黄淮北片水地冬小麦品质育种和改良提供参考，主成分分析可以用于小麦品种（系）品质的综合评价。本研究中，稳定时间是影响小麦品质的主要因素之一，与孙彩玲等[15]的研究结果一致；面团流变学特性因子对小麦品质的贡献率最高，与孙宪印等[17]的研究结果一致，但与与高欢欢等[18]的研究结果略有出入，可能是由所选指标数量和种类不同造成的。

本研究通过籽粒蛋白、湿面筋含量的快速检测在小麦早期育种发挥重要作用，在优质小麦高代育种加强对粉质稳定时间、拉伸面积和最大阻力的选择，有利于优质小麦的选择效率和综合评价的准确性。其中，粉质稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力的测定在优质强筋育种中意义重大，是一些小麦专用粉如面包粉的评价指标。强筋小麦品种审定品质指标要求，在其他指标达标的情况下，稳定时间不小于7 min，最大拉伸阻力不低于350 EU，拉伸面积不低于80 cm2。

建议首先通过快速检测指标（籽粒蛋白、湿面筋含量）对大量品种进行粗筛分类，然后通过重要指标（稳定时间、拉伸面积和最大拉伸阻力）对苗头品系进行验证，从而筛选出优质强筋品系；其次对中筋小麦分类标准细化，非达标品种不再划归中筋类型。所以目前，优质小麦品种的培育还有很大潜力，优质专用粉的开发还有很大空间，决定了品质指标对小麦早期育种的重要性。