食用木槿資源主要農(nóng)藝性狀的主成分分析和聚類分析

陳家龍,余宏傲,朱建軍,戎建濤

（溫州科技職業(yè)學(xué)院,溫州325006）

植物資源的評價和分類是品種收集、選育和改良的基礎(chǔ)工作之一,在評價作物、蔬菜、果樹、花卉等種質(zhì)資源時,采用傳統(tǒng)加權(quán)打分法,具有一定的主觀性[1];而食用栽培植物,其農(nóng)藝性狀中,數(shù)量性狀較多,各變量之間往往具有某種關(guān)聯(lián),觀測數(shù)據(jù)反映的信息在一定程度上有相關(guān)性[1-2],不利于種質(zhì)資源的評價和利用。主成分分析是一種降維的統(tǒng)計方法,在眾多的農(nóng)藝性狀中,找出少數(shù)幾個綜合因子來代表原來眾多的變量,盡可能地反映原來變量的信息量;綜合因子之間互不相關(guān),從而達到簡化目的[3],有利于對收集的資源進行評價。聚類分析既可以將某些未知個體正確地歸屬到其中的某一類[4],也可以在不知群體具體分類的情況下,通過數(shù)據(jù)分析對群體進行分類,是研究植物資源分類和親緣關(guān)系的主要方法之一。主成分分析和聚類分析為研究種質(zhì)資源之間的關(guān)系及對其進行綜合評價提供了科學(xué)的方法,在農(nóng)作物[5-8]、蔬菜[9-10]、花卉[11]、經(jīng)濟作物[12-13]等資源評價及利用上得到了廣泛應(yīng)用。

木槿（Hibiscus syriacus）為錦葵科木槿屬植物,花期長,除了觀賞綠化外,我國部分地區(qū)居民一直有食用木槿花朵的習(xí)俗,故又稱為面花、雞肉花等。木槿花烹飪?nèi)腽傇缭跁x代就有記載[14],浙南、皖南、閩北、閩西和贛南等地區(qū)居民具有采摘木槿花食用的風(fēng)俗[15-17]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,木槿因其食用和保健價值而作為食用花卉,其烹飪方法多樣,味道清香,滑嫩可口,已成為綠色特色菜肴。中醫(yī)認為其味甘苦,性涼;歸脾、肺、肝經(jīng),有清熱燥濕、止咳、涼血的功效[18];現(xiàn)代營養(yǎng)學(xué)研究表明,木槿花含有適中的粗蛋白、粗纖維、維生素C、黃酮類,鈣、鐵、鋅等礦質(zhì)元素含量豐富,具有16種氨基酸,并且還具有特殊的黏性物質(zhì),營養(yǎng)豐富[17-18]。木槿作為食用栽培生產(chǎn),主要集中在長江以南地區(qū),如安徽南部、江西、上海、浙江、福建和廣州等地[19],由于受地理、生長環(huán)境等影響,特別是飲食習(xí)俗和栽培種類的不同,形成了眾多的木槿食用資源。目前,國內(nèi)對木槿的研究主要見于栽培技術(shù)[20]、藥用研究[6]等,也有少量對木槿花營養(yǎng)及食用價值的報道[17-18,21],其他方面研究較少。木槿品種的選育、雜交育種等工作主要集中在韓國、美國[22-25],國內(nèi)未見相關(guān)報道。鑒定評價現(xiàn)有種質(zhì)資源是品種選育、良種推廣等應(yīng)用的基礎(chǔ),本試驗對不同木槿食用資源進行主成分分析和聚類分析,以期為食用木槿種質(zhì)的收集、保存、創(chuàng)新、利用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為溫州科技職業(yè)學(xué)院2012—2013年收集的13個不同食用木槿栽培類型,編號及特性見表1。

表1 13個食用木槿來源及特征Table 1 The characters and origins of 13 edible hibiscus

1.2 試驗方法

1.2.1 田間試驗設(shè)計

田間試驗于2016年在溫州市種子種苗示范基地（溫州科技職業(yè)學(xué)院藤橋科技園）進行,試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計,3次重復(fù)。株距為1.2 m,行距為1.5 m,栽培管理措施同一般田間生產(chǎn)。

1.2.2 數(shù)量性狀測定

在生長期和開花期,分別記錄不同食用木槿栽培類型的當年最長枝條長度、花蕾長、花蕾重量、花徑、花萼長、花柱長、花梗長、第一輪花瓣長、花瓣數(shù)、花朵重量、枝頂花蕾數(shù)、花量（花∕株·日）、始花期、開花天數(shù)。不同栽培類型隨機抽樣10株觀察記載,重復(fù)3次。

1.2.3 質(zhì)量性狀測定

質(zhì)量性狀按括號中的數(shù)字進行編碼,以便進行統(tǒng)計分析。花瓣基部是否有斑點:無斑點（1）、有斑點（2）;花萼是否容易剝離:易剝離（1）、不易剝離（2）。不同栽培類型隨機抽樣10株觀察記載,重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)計算與統(tǒng)計處理

測量13個食用木槿栽培類型的16個農(nóng)藝性狀,基本觀察測量數(shù)據(jù)采用 Excel 2003軟件處理,采用SRSS 16.0軟件進行主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主成分分析

2.1.1 主要農(nóng)藝性狀的主成分貢獻率

對13個食用木槿的16個農(nóng)藝性狀進行主成分分析,通過主成分分析對眾多性狀進行降維,13個食用木槿的16個農(nóng)藝性狀主成分分析結(jié)果見表2。選取特征值大于1的前4個主成分,第1主成分方差貢獻率達35.675%,特征值為5.708;第2主成分方差貢獻率為30.928%,特征值為4.948;第3主成分方差貢獻率為12.918%,特征值為2.067;第4主成分方差貢獻率為7.898%,特征值為1.264。此4個主成分累計貢獻率為87.419%,滿足Σλm∕Σλp≥0.85的要求,即此4個主成分代表了食用木槿農(nóng)藝性狀87.419%的綜合信息。

表2 13個食用木槿的16個農(nóng)藝性狀的主成分貢獻率和累計貢獻率Table 2 The principal components contribution and accumulated contribution of 16 agronomic characters of 13 edible hibiscus

2.1.2 主要性狀相關(guān)矩陣的特征向量及其相關(guān)系數(shù)

由表3可知,第1主成分中,花蕾長、花萼長、第一輪花瓣長、花柱長、年最長枝長、花量、斑點、易剝離具有較高的特征向量,其中花柱長、花萼長、第一輪花瓣長、斑點的特征向量分別為0.943、0.858、0.767、0.755,主要反映食用木槿花朵的形態(tài)特征,年最長枝長、花量基本反映了食用木槿的生長勢,即第1主成分反映了食用木槿的花朵形態(tài)和生長勢的綜合指標。第2主成分中,花徑、花瓣數(shù)、花朵重量、花蕾重量、花梗長、開花天數(shù)具有較高的特征向量,其中花徑、花瓣數(shù)、花朵重量、花蕾重量、開花天數(shù)的特征向量分別為0.858、0.694、0.604、0.614、0.692,此類指標均為花朵的重量和開花天數(shù),涉及到整個生產(chǎn)季節(jié)的產(chǎn)量問題,表明第2主成分是主要反映食用木槿產(chǎn)量的綜合指標;并且在此主成分中,花量的特征向量是負值,為-0.532,說明花朵多的植株或栽培類型,整個采摘期的產(chǎn)量不一定高。第3主成分中,花蕾重量、花量、始花期具有較高的特征向量,表明第3主成分是主要反映食用木槿的開花特性的綜合指標。第4主成分中,只有枝頂花蕾數(shù)具有較高的特征向量,表明第4主成分是主要反映食用木槿的枝頂?shù)幕ɡ倭康木C合指標。根據(jù)4個主成分因子特征向量的大小,篩選4組農(nóng)藝性狀因子（表4）。

表3 食用木槿的16個農(nóng)藝性狀的特征向量Table 3 The eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

2.1.3 16個主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)矩陣R

由表5可知,花徑大小與花瓣數(shù)、花蕾長、花蕾重量、開花天數(shù)具有較強的相關(guān)性,花瓣數(shù)量的多少與花朵重量、花蕾重量具有較強的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.975、0.929,與花量、年最長枝長呈較強負相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為-0.533、-0.659,花朵重量與花瓣數(shù)、花蕾重量呈較強相關(guān)性;與花柱長呈現(xiàn)較強負相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為-0.531;表明花柱越長,木槿的雄蕊瓣花越少,花瓣少,花朵重量就降低,符合實際情況。花蕾長與花徑、花柱長、花萼長具有強相關(guān)性;花蕾重量與花徑、花瓣數(shù)、花朵重量具有強相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)分別為0.600、0.929、0.928;花萼長與花蕾長、花柱長、第一輪花瓣長、斑點、容易剝離具有一定相關(guān)性;花柱長除了與花蕾長、花萼長具有較強相關(guān)性外,與第一輪花瓣長、斑點、容易剝離有一定相關(guān)性;頂枝花蕾數(shù)量與其他性狀的相關(guān)性不強。花量與年最長枝長呈較強相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)為0.681,由于木槿是當年生枝條花芽分化,當年生枝條越長,花量越多,符合木槿的生長特性。始花期與其他性狀相關(guān)性不強,質(zhì)量性狀有無斑點與花蕾長、花柱長、第一輪花瓣長、開花天數(shù)具有一定的相關(guān)性,質(zhì)量性狀花萼是否容易剝離特性與花萼長、花量、年最長枝長有一定的相關(guān)性。

表4 食用木槿農(nóng)藝性狀主成分不同層次的指標及其特征向量Table 4 The indexes and eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

表5 16個主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)矩陣RTable 5 The coefficient of correlation matrix on 16 agronomic characters

2.2 聚類分析

根據(jù)食用木槿的16個農(nóng)藝性狀進行Q型聚類,采用歐氏距離平方,以Ward法對13個食用木槿類型進行聚類,結(jié)果表明:13個食用木槿類型可以分為3個大類,第I類包括CF-1、CF-3、CH-1、CZH-1;第II類包括 DZ-2、DZ-3、DZ-1、CF-2 和 DB-1;第 III類包括 CB-2、CB-3、CB-1、CB-4（圖 1）。

進一步細分,第I類可以分為3小類,第一小類為CF-1和CF-3,第二小類和第三小類分別為CH-1、CZH-1;第II類可以分為3小類,第一小類為DZ-2和DZ-3,第二類小是DZ-1、CF-2,第三小類為DB-1;第III類可以分為3小類,第一小類CB-2和CB-3,第二小類和第三小類分別為CB-1、CB-4。

圖1 13個食用木槿的聚類關(guān)系Fig.1 Dendrogram reflecting genetic relationship between 13 edible hibiscus based on analysis of 16 agronomic characters

3 討論與結(jié)論

通過對食用木槿16個農(nóng)藝性狀進行主成分分析,形成了4個主成分,代表了食用木槿農(nóng)藝性狀87.419%的綜合信息,此4個主成分反映了花朵形態(tài)、生長勢、產(chǎn)量、開花特性等綜合信息。表明食用木槿選育工作中,需主要關(guān)注此類農(nóng)藝性狀,并且需注意特征向量為負值的農(nóng)藝性狀,如第2主成分中的花量性狀,其特征向量為-0.532。食用木槿的產(chǎn)量不僅是花量單一因素決定,還涉及到花蕾重、花重等農(nóng)藝性狀,在食用木槿中,花量大,可能說明單朵花和花蕾的重量少。

通過16個農(nóng)藝性狀的相關(guān)矩陣R分析發(fā)現(xiàn),有些性狀之間呈現(xiàn)較強的正相關(guān),有些性狀間呈現(xiàn)較強負相關(guān),表明性狀之間既有聯(lián)系又有制約,單朵花瓣數(shù)量的多少與花朵重量、花蕾重量呈現(xiàn)正相關(guān)性,與花量呈較強負相關(guān)性,即單朵花瓣數(shù)量越多,花朵和花蕾越重,但同時單株的花量越少,說明單瓣型食用木槿的花量比重瓣型的花量多。花朵重量與花柱長度呈現(xiàn)較強負相關(guān)性,也說明了花柱長,其瓣化率低,重量降低。從木槿花型結(jié)構(gòu)分析,其單瓣為5瓣,重瓣是在此基礎(chǔ)上的雌雄蕊瓣化而成,先是雄蕊瓣化,而后是雌蕊瓣化,符合木槿花的特性。根據(jù)主成分分析,可以減少工作量,便于分析眾多農(nóng)藝性狀之間的相互關(guān)系,并且可以進一步建立評價模型,為選育和生產(chǎn)提供參考。

16個農(nóng)藝性狀運用Q型聚類分析,可將13個食用木槿栽培類型分為3個大類。本研究沒有將花色作為農(nóng)藝性狀指標,只對花朵形態(tài)、產(chǎn)量、開花特性等農(nóng)藝性狀進行聚類,結(jié)果基本突出了花色和花型為聚類成果,即第I類是以重瓣為花型,顏色包括紅色,粉色、紫紅色,第II類以單瓣為主體,顏色包括紫色、白色;第III類均為重瓣花型,花色為白色。這也反映了木槿群體的基本親緣關(guān)系和演化,從歐氏距離平方上看,相對重瓣白色木槿,單瓣紫色類型與重瓣紅色、粉色親緣關(guān)系更近,說明木槿的花型是從單瓣演化為重瓣;花色最原始為紫色,演化為粉色或紅色,白色是較為進化的類型,說明重瓣白色木槿是較進化的類型。本研究也觀察了不同重瓣白花木槿瓣化類型,即先是雄蕊瓣化,再是雌蕊瓣化,其他顏色重瓣類型,沒有發(fā)現(xiàn)雌蕊瓣化現(xiàn)象,也應(yīng)證了本研究聚類結(jié)果。本研究對觀賞型木槿的分類也具有一定的參考價值,可以在分子水平上對木槿的分類及親緣關(guān)系進行更深入的研究。