基于主成分分析的稻米品質評價及聚類分析

摘要：應用主成分分析和聚類分析方法研究了23個秈型雜交稻品種11個品質指標的變異情況，對其稻米品質性狀進行了綜合評價及分類。結果表明，11個稻米品質指標主要由4個主成分構成，其中外觀品質對稻米品質的貢獻率最大，占40.23%；聚類分析根據稻米品質表現將23個品種分為3類。

關鍵詞：秈型雜交稻；品質性狀；主成分分析；聚類分析；綜合評價

中圖分類號：S511.2+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）15-3488-04

食用稻米品質一般是從碾磨品質、外觀品質、蒸煮食味品質與營養品質4個方面進行評價，而稻米品質通過糙米率、精米率、整精米率、堊白率、堊白度、粒長、長寬比、直鏈淀粉含量、膠稠度、堿消值等指標間接反映出來。GB 1350-1999對秈稻上述品質指標表現劃分為5個等級，以3級稻為中等水平，低于5級的為等外稻谷，為強制執行標準；GB/T 17891-1999將優質秈稻分為3個等級，任何一項指標達不到3級要求時不能作為優質稻谷，作為推薦執行標準[1]。筆者以23個秈型雜交稻品種的11個品質指標作為研究對象，運用主成分分析和聚類分析對23個品種進一步分類，以期為完善和細化優質稻谷國家標準提供一些依據。

1 材料與方法

1.1 材料

材料選用南方稻區近年來新選育的23個秈型雜交稻品種，分別是Y兩優646（1）、廣兩優矮93（2）、廣優明118（3）、Y兩優3399（4）、兩優8106（5）、C兩優70124（6）、科優16（7）、天優8012（8）、兩優689（9）、Y58S/P102（10）、兩優676（11）、齊豐1068（12）、金農2優3號（13）、兩優616（14）、紅香2A/香恢68（15）、兩優0367（16）、兩優383（17）、欣榮優華占（18）、鹽兩優2208（19）、兩優1198（20）、兩優3905（21）、Ⅱ優838（22）、豐兩優4號（23）。試驗于2010-2011年在湖南、江西、湖北、安徽、浙江、福建、江蘇和河南8個省15個試驗點進行。由安徽省種子管理站、湖北省京山縣農業局和河南省信陽市農業科學研究院3個單位分別單獨種植生產提供樣品，農業部稻米及制品質量監督檢驗測試中心（杭州）負責檢測，測定稻米品質性狀合計11個指標。

1.2 統計分析方法

1.2.1 主成分分析 以23個秈型雜交稻的11個品質變量（糙米率、精米率、整精米率、粒長、長寬比、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量）為指標構成主成分分析的相關矩陣，根據主成分分析的結果對雜交稻品質進行評價。

1.2.2 聚類分析 采用系統聚類分析，以上述11個品質指標對23個雜交稻品種進行聚類。數據轉換方式為標準化轉換，聚類距離為歐氏距離，聚類方法為離差平方和法（與其他聚類方法比較后，確定離差平方和法效果最好）。

2 結果與分析

2.1 不同秈型雜交稻品種稻米品質性狀的變異情況

由表1可以看出，不同雜交稻品質性狀具有較大的差異。其中，堊白度、堊白粒率、透明度、直鏈淀粉含量和堿消值5個指標的變異系數較大，分別為70.16%、49.44%、45.27%、21.02%和18.04%，表明不同雜交稻品種間上述5個品質指標的差異較大。相比較而言，外觀品質中的糙米率、精米率、粒長、長寬比及膠稠度的變異系數較小，均在10%以下，表明不同雜交稻品種間的這5個指標相對穩定，糙米率和精米率最穩定，變異系數僅為0.81%和1.06%。

2.2 不同秈型雜交稻品種稻米品質性狀的主成分分析

為進一步明確各個品質性狀的相對重要性，對稻米的11個品質性狀進行了主成分分析，計算出特征值和貢獻率。通過主成分分析，以特征值累計貢獻率大于85%為標準，確定主成分為4個，累計貢獻率為85.54%（表2）。其中，第一主成分的貢獻率為40.23%，第二主成分的貢獻率為24.42%，第三主成分的貢獻率為12.28%，第四主成分的貢獻率為8.61%。

4個主成分各因子的載荷矩陣見表3。由表3可知，第一主成分主要由堊白度、長寬比、堊白粒率及透明度決定，呈現出較強的負相關，反映稻米的外觀品質；第二主成分主要由糙米率、精米率、堿消值和直鏈淀粉含量決定，呈現出正相關，反映稻米的碾磨品質和蒸煮食用品質；第三主成分主要由膠稠度和整精米率決定，與膠稠度呈正相關，與整精米率呈負相關，反映稻米的蒸煮品質和碾磨品質；第四主成分主要由精米率和整精米率決定，呈現出正相關，反映稻米的碾磨品質。

2.3 不同秈型雜交稻品種稻米品質性狀的聚類分析

通過以上主成分分析的結果，根據品質指標的主成分分析值，采用科學合理的分類方法，對上述23個秈型雜交稻品種進行分類，以期達到客觀公正評價稻米品質的目的。聚類分析主要是用來研究各種事物或現象的分類，而系統聚類是在各個領域中使用最多的一種方法。其基本思想是將各個樣本各自看成一類，然后定義樣品之間的距離及類與類之間的距離，利用逐步并類法，將距離最近兩類合并，直至所有的樣品都成為一類為止。

由圖1可知，通過聚類分析將上述23個秈型雜交稻品種分為3類。第Ⅰ類包括C兩優70124、兩優676、齊豐1068、鹽兩優2208、兩優3905、Y兩優3399、豐兩優4號、Y兩優646、兩優689、Y58S/P102、兩優0367、廣兩優矮93；第Ⅱ類包括兩優1198、Ⅱ優838、廣優明118、天優8012、科優16、兩優383；第Ⅲ類包括兩優8106、金農2優3號、兩優616、紅香2A/香恢68、欣榮優華占。由表4可知，在所有稻米品質指標中，反映外觀品質的參數（粒長、長寬比、堊白粒率、堊白度和透明度）及整精米率和堿消值以第Ⅰ類表現最好，而糙米率、精米率、膠稠度和直鏈淀粉含量等指標均處于較好水平。這與主成分分析的結果相一致，即第一主成分（外觀品質）在所有稻米品質指標中貢獻率是最重要的。

3 小結與討論

Karl Parson于1901年提出了主成分概念，用于對非隨機變量的分析；1933年Hotelling對其進行了發展，推廣到隨機變量的分析[2]。主成分分析利用“降維”的思想，在損失很少信息的前提下找到幾個綜合因子來代表原來眾多的變量，使這些綜合因子盡可能地反映原來變量的信息量，而且彼此之間互不相關，從而達到簡化的目的。由于該方法既減少了變量的數目又抓住了主要矛盾的做法，有利于問題的分析和處理而被廣泛應用。

通過對23個秈型雜交稻品種的稻米品質分析表明，不同秈型雜交稻品種稻米品質的糙米率、精米率、整精米率、粒長、長寬比、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值、膠稠度和直鏈淀粉含量等指標的差異較大。運用主成分分析進一步將稻米11個品質性狀轉化為4個獨立的主成分，其中第一主成分外觀品質的影響最大，其貢獻率達到40.23%。再通過系統聚類分析，可將23個秈型雜交稻品種稻米品質分為3類，各類別中，反映外觀品質的參數（粒長、長寬比、堊白粒率、堊白度和透明度）及整精米率和堿消值以第Ⅰ類表現較好，表明稻米外觀品質在稻米品質評價中的重要作用。

稻米品質的優劣不僅受品種自身遺傳基因的控制，而且受外界環境條件如氣候、土壤、灌溉時期和灌溉量、施肥種類和施肥量、農藝措施等影響。灌漿結實期間的氣候條件是影響稻米品質的最主要生態因子，而緯度、海拔等地理環境的不同及播期調整引起的品質變化均與該時期的氣候生態因子有關[3]。結實期氣候生態條件對整精米率、堊白粒率、堊白度、透明度、堿消值及直鏈淀粉含量影響較大[4]。張嵩午等[5]研究表明，秈稻類型品種的整精米率性狀形成適宜溫度為21～23 ℃，高于或低于適宜溫度時，整精米率都會下降。在碾米品質諸多性狀中，糙米率和精米率的變異相對較小，而整精米率則變異較大[6]。稻米堊白大小與水稻齊穗后15 d內的溫度狀況密切相關，此時段溫度較高可使稻米堊白面積顯著提高[7]。灌漿速率前快后慢被認為是堊白發生率高的重要原因，而灌漿速率均勻有利于堊白的減少，但也與品種遺傳特性有很大關系[8]。有研究認為，長方柱狀細胞（即小細胞）是產生和增加堊白的最重要因素，但只有細胞內的淀粉粒為圓球形、排列松散時才形成堊白[9-11]。小細胞多的品種堊白多，成熟期溫度高造成胚乳腹部的小細胞數目多，堊白粒率高，這可能是低溫較高溫凹形多但堊白少的原因。

決定秈稻品種的商業價值、食味性和應用前景等方面主要有以下幾項品質指標：粒長、長寬比、整精米率、堊白粒率、堊白度和直鏈淀粉含量。其中粒長和長寬比是商品稻米分類及定價的主要依據[12]。堊白粒率和堊白度是稻米品質能否達到優質或國標定級最主要的制約因子[13]，同時也是水稻品質育種最難達到的指標之一。整精米率偏低是目前影響優質米加工成本、實現優質稻品種價值的主要障礙之一。因此，通過育種途徑選育直鏈淀粉含量中等、堊白粒率低和整精米率高的優質稻品種是提升稻米品質檔次最直接有效的途徑，同時通過不同的栽培管理措施加以調控[6，14]。

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