基于主成分分析的不同朝天椒品种品质综合评价

常晓轲，董晓宇，韩娅楠，程志芳，姚秋菊，李 丽

（河南省农业科学院园艺研究所 郑州 450000）

21 世纪是中国辣椒产业飞速发展阶段，据国家大宗蔬菜产业技术体系统计，近年来辣椒面积稳定在210 万hm2以上，成为中国种植面积最大的蔬菜，河南的辣椒种植面积超过24 万hm2[1]，其中朝天椒占1/4。朝天椒主要种植区域为豫东的柘城、睢县，豫中的临颍，豫南的邓州、内乡、方城、社旗，豫西的新安、宜阳、渑池，豫北的内黄、滑县、清丰等地。其中，柘城县以辣椒为主导产业，先后被评为“全国农村一二三产业融合发展先导区”“国家农村创新创业园区”“省级现代农业产业园”，荣获“全国辣椒产业化发展示范县”等荣誉，实现了由“中国三樱椒之乡”向“中国辣椒之都”的精彩蝶变。“柘城辣椒”被农业农村部确定为农产品地理标志登记产品，荣登地理标志品牌百强榜第56 位，品牌价值达到60.52亿元[2-3]。

辣椒除菜用、调味、加工功能外，还具有药用、饲用、观赏功能，是消费功能最多的蔬菜，因而越来越受到消费者的喜爱。近年来，为了提高辣椒的产量和品质，科技工作者多在辣椒栽培[4]、病虫害防治[5-6]、综合评价[7-8]等方面进行研究。蓬桂华等[8]对93 份辣椒种质资源按平均隶属度可分为4 大类型，即高品质型、中品质型、一般品质型和特殊品质型。白健君等[9]对40 份辣椒果实依据其果色和果形进行系统分类，通过相关性分析和聚类分析，较全面地对辣椒的主要农艺性状进行了描述与分析。郝卫等[10]研究表明在改良辣椒形态性状时，按育种目标的要求选取主要性状，同时也要注意与其他性状间的关联。任朝辉等[11]开展了朝天椒种质资源品质和产量的综合评价分析，未发现品质和干椒产量同时表现较好的品种。目前，对朝天椒的研究主要集中在农艺性状上，对朝天椒农艺性状和品质性状综合评价报道不多，同时河南地区朝天椒品种比较单一化，同质化严重，因此，亟需引进综合性状表现优异的朝天椒，综合评价朝天椒表现。笔者通过对40 份朝天椒的14 项性状指标进行主成分分析和聚类分析，综合评价筛选出综合表现优良的朝天椒品种，以期为河南的朝天椒产业发展和朝天椒品种选育工作提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试验地点

试验材料为40 个朝天椒品种，详见表1。试验地点设于河南省农业科学院柘城试验基地，试验地地势平整，土壤肥力均匀。采用72 孔穴盘育苗，于2021 年3 月15 日播种，5 月4 日定植，10 月30 日采收，露地高垄栽培，垄长8.5 m，垄宽1.8 m，株行距40 cm×50 cm，小区面积15.3 m2，每小区20 株，3次重复，完全随机排列。

表1 供试品种名称和来源

1.2 测定指标

测量朝天椒农艺性状包括株高、株幅、始花节位、单株果数、果长、果横径、果肉厚度、单果质量、干鲜比等9 个形态指标，其中，干鲜比（%）=干果质量/鲜果质量×100。于辣椒红熟期，各小区随机选取5 株进行相关性状指标的测量并记录，结果取平均值。测量标准参照李锡香《辣椒种质资源描述规范和数据标准》[12]。测定蛋白质、可溶性糖、粗纤维、辣椒素、二氢辣椒素的含量。每个样品田间采收1000 g 红辣椒备用，采用GB 5009.5－2016 的方法测定蛋白质含量[13]，3 次重复；采用NY/T 1278－2007 铜还原碘量法测定可溶性糖含量[14]，3 次重复；采用GB/T 5009.10－2003 的方法测定粗纤维含量[15]，3 次重复；采用NY/T 1381－2007 高效液相色谱法测定辣椒素和二氢辣椒素含量[16]，2 次重复。

1.3 数据处理

采用Excel 对数据进行统计与整理；采用DPS v7.05 进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 朝天椒品种性状遗传多样性分析

由表2 可知，40 份朝天椒的14 个性状指标变异系数为8.66%～57.76%；单果质量的变异系数是57.76%，单株果数的变异系数是50.44%，果横径的变异系数表现为41.67%，表明与产量相关的性状进行遗传改良的潜力较大。辣椒素含量的变异系数为37.71%，二氢辣椒素含量的变异系数为44.74%，表明朝天椒辣度表现出较高的变异性。株高、株幅、始花节位、果长、果肉厚度、干鲜比、粗纤维含量、可溶性糖含量的变异系数在10%～40%，只有蛋白质含量的变异系数为8.66%。14 个性状变异系数关系为：单果质量>单株果数>二氢辣椒素含量>果横径>辣椒素含量>株幅>果肉厚度>株高>果长>可溶性糖含量>始花节位>粗纤维含量>干鲜比>蛋白质含量，40 份朝天椒品种间性状差异较大，具有较为丰富的遗传多样性，适宜筛选优异朝天椒品种。

表2 辣椒品种性状遗传多样性分析

2.2 朝天椒品种性状相关性分析

40 个朝天椒的14 个性状相关性分析表明（表3），株高与株幅、单株果数，株幅与单株果数，始花节位与蛋白质含量，果横径与果肉厚度、单果质量，果肉厚度与单果质量，单果质量与可溶性糖含量，辣椒素含量与二氢辣椒素含量均呈极显著正相关；株幅与可溶性糖含量，始花节位与粗纤维含量，单株果数与粗纤维含量、二氢辣椒素含量，果横径与可溶性糖含量，果肉厚度与可溶性糖含量均呈显著正相关；株幅与蛋白质含量，单株果数与果横径，果横径与干鲜比、辣椒素含量、二氢辣椒素含量，果肉厚度与干鲜比呈极显著负相关；单果质量与干鲜比、粗纤维含量均呈极显著负相关；株高与果横径，株幅与始花节位，始花节位与果肉厚度、可溶性糖含量，果肉厚与粗纤维含量、辣椒素含量、二氢辣椒素含量，单果质量与辣椒素含量、二氢辣椒素含量，干鲜比与可溶性糖含量均呈显著负相关。

表3 主要农艺性状的相关系数

2.3 朝天椒品种农艺性状的主成分分析

对14 个生长指标进行主成分分析（表4），以特征值＞1.0 为标准，提取到5 个主成分，方差贡献率依次为31.06%、20.79%、11.07%、8.82%、8.00%，累计方差贡献率达79.74%，即这5 个成分可以代表大部分筛选信息。第一主成分方差贡献率最高，为31.06%，占比较高的指标分别为单果质量、果横径、果肉厚度，说明第一主成分是反映果实性状因子。第二主成分占比较高的指标分别为株幅和蛋白质含量。第三主成分主要影响因子是株高、辣椒素含量和二氢辣椒素含量，说明第三主成分是反映高度和辣度因子。第四主成分主要影响因子是果长，说明第四主成分是反映果实长度因子。第五主成分主要影响因子是干鲜比和粗纤维含量，说明第五主成分是反映干椒性状因子。

表4 朝天椒品种性状的主成分因子

2.4 朝天椒品种综合评价

根据因子得分系数矩阵及其所对应的主成分，可以计算出5 个主成分因子得分，公式如下所示：

其中，X1～X14 分别表示株高、株幅、始花节位、单株果数、果长、果横径、果肉厚度、单果质量、干鲜比、可溶性蛋白含量、粗纤维含量、可溶性糖含量、辣椒素含量、二氢辣椒素含量14 个性状指标；F1、F2、F3、F4、F5 分别表示主成分因子1、2、3、4、5 得分。以各主成分特征值比率为权重，构建40 个品种性状综合评价得分函数，公式如下所示：

F=0.39F1+0.26F2+0.14F3+0.11F4+0.10F5。（6）

其中，F为40 个辣椒品种14 个性状的综合评价得分。将X1～X14 分别代入F中，计算成分得分和综合得分表。根据式（6）的综合评价得分函数可得出不同辣椒品种性状的综合得分及其排序（表5），F值越大，表明该品种品质性状的综合性状越好。其中，编号14（H2143）F值为77.10，排名第1；编号35（珠农38 号）值为68.37，排名第2；编号3（红海）F值为68.30，排名第3；编号19（泰美簇生9号）的F值21.87，排名最后；40 个品种的排名依次为14、35、3、16、1、17、34、4、11、28、33、20、2、40、5、26、18、7、22、27、30、9、24、36、39、12、8、25、37、38、10、29、32、23、6、31、13、15、21、19（编号对应的品种见表1）。

表5 40 份辣椒主成分得分

2.5 辣椒品种聚类分析

采用离差平方和法，在欧氏距离为728 处，可以将40 个辣椒品种分为4 大类（图1）。第一类包括H2143、珠农38 号、314 朝天椒、白指天椒这4 个品种，编号分别是14、35、1、34，特征是植株高，株幅大，单株果数多，果实小，干鲜比大，粗纤维含量高，辣椒素含量较高。第二类包括7 个品种，编号分别是4、16、9、12、26、18、33，特征是株高、株幅中等，可溶性糖含量较高，其他性状均处于中等水平。第三类包括20 个品种，编号分别是2、5、17、20、3、11、28、6、7、8、22、25、36、10、21、24、13、29、23、30，特征是株高、株幅中等，辣椒素含量高，其他性状均处于中等水平。第四类包括泰美簇生9 号、H10 等在内的9 个品种，编号分别是15、19、37、38、27、39、31、32、40，特征是株高、株幅小，单果质量大，果横径大，果肉厚，干鲜比小，辣度低，粗纤维含量低。

图1 辣椒品种的聚类分析树状图

3 讨论与结论

笔者对来自全国的40 个朝天椒品种进行了综合评价，为朝天椒的规模化种植奠定基础。从研究结果可以看出，40 份朝天椒品种在各性状上表现出了不同程度的多样性，14 个性状变异系数大小顺序为单果质量>单株果数>二氢辣椒素含量>果横径>辣椒素含量>株幅>果肉厚度>株高>果长>可溶性糖含量>始花节位>粗纤维含量>干鲜比>蛋白质含量，表明在同一栽培种植条件和材料数量较多的情况下，表现出了品种间的遗传多样性。其中单果质量的变异系数最大，果实性状表现出较大的差异，张秀荣等[17]的研究也表明，产量和单果质量变异较大，具有丰富的遗传信息和选择潜力。

相关分析结果表明，涉及的14 个性状，91 对性状形成相关关系，有35 对性状的相关系数达到显著水平，说明大部分性状间存在着内在的联系，所以在育种实践中不能单纯只考虑某个性状，应该综合考虑评价品种的性状。主成分分析是用少数的几个综合指标来代替多个主要农艺指标，以期反映样品的基本信息，达到降维的目的[18]。因子分析用于综合评价的优点在于，因子之间不相关，每个因子中能反映变量之间的关系，有助于更客观地描述多个变量对样品的联系性影响，因子方差贡献率生成的信息量权数，比人为确定权数工作量少些，有助于保证客观性[19]。笔者通过对14 个性状数据的标准化处理，提取出5 个主成分因子。根据各主成分性状的特征向量，可分别将其称为反映果实性状的因子、反映株幅和品质的因子、反映高度和辣度的因子、反映果实长度的因子、反映干椒性状的因子，5 个主成分因子累计方差贡献率达79.74%，说明这些性状展现了辣椒品种的诸多方面特征，不仅归纳为一个或几个育种目标，表明育种的方向可以更加多元化。编号14 品种H2143 的综合评价得分77.10，其14 个性状的综合表现最好；编号35 品种珠农38 号的综合评价得分68.37，其14 个性状的综合表现较好；编号19 品种泰美簇生9 号的综合评价得分21.87，其14 个性状的综合表现较差。裴红霞等[20]研究表明特征向量值为正且数值较大的有果肩形状、单果质量、果横径，主要与果实有关，主成分分析从另一个角度说明了果实性状的重要性，笔者的研究结果与其部分结果一致。

步洪凤等[21]通过对26 份辣椒研究发现果实形状和产量是影响聚类分类结果的最重要因素。夏碧波等[22]对30 份辣椒资源按照不同的欧式距离聚类分为2 类和3 类。笔者采用聚类分析将40 份辣椒划分为4 个不同类型，性状相近的聚为一类，各个类群具有一定的形态学特征，克服了仅以个别性状进行直观、经验性分类的弊端。通过聚类分析，明确了辣椒品种的不同类型，第一类既适合做干椒亦可以做鲜椒，具有植株高度高、株幅大、单株果数多、果实小、干鲜比大、粗纤维含量高的特点，包括H2143、珠农38 号、314 朝天椒、白指天椒这4 个品种。第二类是普通朝天椒类型，株高、株幅中等，可溶性糖含量最高，其他性状均处于中等水平，包括胜红92、江宝劲霸等7 个品种。第三类是辣椒素专用类型，具有株高、株幅中等以及辣椒素含量高的特点，其他性状均处于中等水平，可以作为专用型辣椒材料利用，包括川椒485、CH023 等20 个品种。第四类是大果类型，具有株高和株幅最小、单果质量大、果长度大、果横径最大、果肉最厚、干鲜比小、辣度低、粗纤维含量低的特点，有泰美簇生9号、H10 等9 个品种。聚类分析结果与主成分分析结果部分重叠，多种分析方法结合能够更全面地对品种性状进行综合评价。

综上，H2143、珠农38 号、红海、江宝劲霸、314朝天椒、楚龙182、白指天椒这7 个品种综合表现良好，可以进一步试种研究，笔者的研究结果为进一步在河南地区开发、推广朝天椒新品种提供了参考。