基于因子分析和聚類分析的花椰菜種質礦質元素含量評價①

袁建民 何 璐 木萬福 麻繼仙 孔維喜 楊曉瓊 許智萍

(云南省農業科學院熱區生態農業研究所/元謀干熱河谷植物園 云南元謀651300)

花椰菜（Brassica oleraceavar．botrytisL．）是世界上最重要的蔬菜作物之一，也是人類從飲食中獲取植物化學類生物活性物質的重要來源［1-2］。花椰菜主要以花球為食用器官，富含維生素、纖維素、礦物質及胡蘿卜素類、黃酮類、酚酸類等生物活性物質［3］，營養豐富，味道鮮美，具有防癌抗癌［4-5］的作用，深受消費者的青睞，被譽為“天賜的良藥”“窮人的醫生”。據聯合國糧農組織（FAO）數據統計，全球花椰菜栽培面積正逐年增加。近年來，隨著中國蔬菜總產量的持續遞增，消費者對品質關注度日益增強，蔬菜品質正成為其市場競爭力的核心因子。然而，目前蔬菜品質評價大多仍局限于外觀品質［6］、風味品質［7-8］、酸甜度［9］、維生素［10-11］等，而對內部品質如礦質元素含量等關注不夠。由于人體必需的礦質元素大多從果蔬中獲得，因此礦質元素含量對蔬菜品質的形成具有同等重要作用和不可替代性［12-13］。

據統計，目前全球約有2/3的人口存在缺乏一種或多種礦質元素，而在發展中國家此問題更嚴重［14］。現代醫學研究表明，人類中絕大多數疾病都與缺素息息相關，因為缺素會引起人體平衡失調，易導致一些罕見疾病［15-17］。花椰菜中富含K、Ca、Na、Mg、P、Fe、Mn、B、Cu、Zn 等元素，是礦質元素獲取的重要來源。前人研究表明，不同類型花椰菜（紫花菜、松花菜、緊花菜）中K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn、Ca、Mg 等礦質元素含量十分豐富，且不同品種間含量差異較為明顯［18］。但已有研究涉及材料較單一，測定指標有限，評價不夠系統。目前，聚類分析和因子分析已被廣泛應用于多樣品多指標的品質分析中，但其應用于花椰菜礦質元素含量分析的研究較少。

云南省農業科學院熱區生態農業研究所開展花椰菜新品種選育研究10 多年，收集保存花椰菜種質400余份，育成多個花椰菜新品種。為更深入地了解花椰菜的礦質元素含量及組成，探討不同類型花椰菜花球中礦質元素含量分布規律，本研究以8份不同類型具有代表性的花椰菜種質花球為試材，采用水平分析、相關性分析、聚類分析和因子分析等統計方法研究花椰菜花球中19 種礦質元素含量特征，以期為花椰菜的營養質量評價、新品種選育及開發利用等提供數據參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 花椰菜種質資源

試驗于2018 年6～12 月在云南省農業科學院熱區生態農業研究所進行。供試材料為8 個花椰菜，包括緊花菜、松花菜和青花菜（表1）。6月10日穴盤播種育苗，7 月下旬定植于塑料大棚，常規栽培管理。11月7日田間采集成熟期花球樣品，完全隨機設計，每個重復5 株，3 次重復，采后70℃烘干，粉碎機研磨，過1 mm 篩后待上機測試。所有材料均由云南省農業科學院熱區生態農業研究所蔬菜研究中心提供。

表1 供試8份花椰菜種質材料

1.1.2 試驗地概況

研究區屬于云南省元謀縣干熱河谷區域，地處滇中高原北部，東經101.35°～102.06°，北緯25.23°～26.06°，平均海拔1 350 m。年平均溫度21.5℃，無霜期305～331 d，年降雨量611.3 mm，降雨集中在5～9月，其他月份少雨或無雨。光熱資源充足，年平均日照時數7.3 h/d。土壤為砂壤土，土壤容重1.44 g/cm3，田間持水量為19.42%，pH 6.4，土壤有機碳0.61%，全氮0.05%，堿解氮39 mg/kg，全磷0.188 mg/kg，有效磷30.38 mg/kg，全鉀7.44 mg/kg，速效鉀129 mg/kg。

1.1.3 儀器和試劑

電感耦合等離子體發射光譜儀（PQ-9000，德國耶拿）；微波消解儀（Milestone Ethos up，意大利邁爾斯通）；超純水儀（UPH-IV-20T，中國優普）；1/10 000分析天平（ATX224，日本島津）；行星式球磨機（QM3SP，南京馳順）；電熱恒溫鼓風干燥箱（GZX-9140MBE，上海博訊）；移液槍（RAININ，美國瑞寧）；濃硝酸（優級純，重慶川東化工）；30%過氧化氫（優級純，天津市化學試劑）；超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）；氬氣純度（≥99.999%）；多元素混合標準溶液及K、Ca、Na、P、S、Se、Si、Mo 等單個元素標準溶液，購自國家有色金屬及電子材料分析測試中心。試驗用水均為超純水，所有玻璃器皿均用10%硝酸浸泡24 h，然后用超純水清洗，烘干備用。

1.2 方法

1.2.1 試驗方法

參考袁建民等［19］的方法。稱取干樣0.200 0 g，置于微波消解罐中，加入6 mL 濃硝酸和2 mL 雙氧水，按照設定好的消解程序進行微波消解（表2）；消解完畢后，趕酸3～4 h，以少量2% HNO3洗滌2～3次，消解液定容至50 mL，用0.45 μm 濾膜過濾，上機測試。利用電感耦合等離子體發射光譜儀測定各礦質元素含量。

表2 微波消解程序

1.2.2 數據處理

采用Excel軟件對不同花椰菜種質花球中各元素含量的數據進行初步整理，利用SPSS V 20.0 軟件對各礦質元素含量進行水平分析、Pearson 相關性分析、因子分析和聚類分析。因子分析是先將數據經Z 分數標準化處理，然后進行KMO 和Bartlett 球形度檢驗，再采用主成分法提取公因子，采用最大方差法進行因子旋轉，最后輸出結果；聚類分析主要采用系統聚類中的組間連接法，以歐氏距離為遺傳距離進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 礦質元素含量的水平分析

8 份花椰菜種質花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co、Se、Mo、Cd 共19 種礦質元素分析檢測結果（表3）顯示，Se、Mo、Cd 元素均未檢出，故對剩余16 種元素進行基本描述性統計分析。結果表明，所測的K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 種元素在不同種質花球中的含量存在極顯著差異（p＜0.01）。

花球中各礦質元素含量的最小值、最大值、平均值、標準偏差、標準誤差、變異系數見表4。結果表明，在所測得的16 種元素中，K 的含量最高，Pb的含量最低。K、P、Ca、Mg、S是花椰菜花球中的主要礦質元素，其次是Fe、Mn、B、Zn、Na元素，Cu、Ni、Cr、Pd、Si、Co含量較低。

一般認為，變異系數（CV）≥100%為強變異，10%＜CV＜100%為中等變異，CV＜10%為弱變異。本研究中16 種礦質元素含量的變異系數范圍為3.39%～70.39%，平均值為27.31%，屬中等變異強度。不同種質中Si 的含量差異最大，變幅在0（C18315）～16.07 mg/kg（C18261），平均值為8.72 mg/kg，變異系數達70.39%，明顯高于其它礦質元素。

2.2 礦質元素含量間的相關性分析

Pearson 相關性分析結果（表5）表明，花球中礦質元素含量間存在復雜的正相關或負相關關系。16 個元素中，K 與Pb 之間含量存在顯著正相關；P與S呈顯著正相關，P與Zn呈極顯著正相關；Ca與Mg、S之間呈顯著正相關，Ca與B呈極顯著正相關；Mg 與B 之間呈顯著正相關；S 與B 之間呈極顯著正相關；Fe 與B 之間呈顯著負相關，Fe 與Na呈極顯著正相關，Fe 與Si 呈顯著正相關；Zn 與Si呈顯著負相關；其他元素之間相關性不顯著。其中，Ca與B之間的相關系數最高（0.930），說明花球中Ca和B含量之間高度相關。

簡單相關性分析只是對有聯系的2個元素表面關系密切程度的衡量，為揭示多個礦質元素之間內在聯系則有必要利用多元統計分析。

2.3 礦質元素含量的聚類分析

聚類分析是根據樣品間具有的相似性或差異性指標，進行親疏關系的類別劃分，目的在于使類間各樣品的同質性最大化，而類與類間樣品的異質性最大化。

表3 不同花椰菜種質花球中19種礦質元素含量平均值 單位：mg·kg-1 DW

表4 花椰菜花球中16種礦質元素含量的描述性統計

以不同種質為自變量，16 種礦質元素含量為因變量，采用系統聚類中的組間連接法，以歐氏距離為遺傳距離，對8 份花椰菜種質進行聚類分析，結果見圖1。

結果表明，在歐氏距離約為7.0時，16種礦質元素可將8 份花椰菜種質劃分為3 類。結合圖1 和表3 可知，第一類包括C18315、C18267、C18259、C18359、C18301共5份種質，既有松花類型，也有緊花類型，主要表現為K、Na、Fe含量較高，可作為親本選育高K的品種；第二類只包括C18261，屬于松花類型，主要表現為Si 含量較高，而Ca、P、Mn、Zn、Na、Cr、Pb 含量較低，可作為親本選育高Si 的品種；第三類包括C18282 和2 號，均為青花菜，說明青花菜和通常的花椰菜（花球白色）礦質元素含量之間存在較大的差異，其主要表現為Ca、S、B 含量較高，而Pb 含量較低，可以作為親本選育高Ca、S、B和低Pb的品種。

表5 花椰菜花球中礦質元素含量的Pearson相關性分析

2.4 礦質元素含量的因子分析

因子分析是實現降維的一種統計分析方法，可在許多變量中找出隱藏的具有代表性的因子，以較少的幾個因子反映原資料的大部分信息。本研究以不同種質為自變量，16 種礦質元素含量為因變量，采用主成分法提取公因子，采用最大方差法進行因子旋轉，對花椰菜不同種質花球中16種礦質元素含量進行因子分析（表6）。結果表明，前3 個公因子累積方差貢獻率為76.00%，說明這3個公因子基本可以反映全部指標的信息。

為了能更好地解釋變量，需要進行因子旋轉，使每個因子的載荷值盡量向0 和1 轉化。因子載荷值的絕對值越大，說明其貢獻越大，相關的密切程度越高。由表7可知，第一因子（F1）主要與Ca（載荷值0.88）、S（載荷值0.93）、B（載荷值0.87）顯著相關；第二因子（F2）主要與Mn（載荷值0.90）、Na（載荷值0.82）顯著相關；第三因子（F3）主要與Cr（載荷值0.82）顯著相關。以上6個因子載荷均為正值，為正向分布，說明因子得分越高，其相應的礦質元素含量也就越高。另外，由于37.48%的方差貢獻率來自第1 主因子，20.66%的方差貢獻率來自第2 主因子，17.86%的方差貢獻率來自第3 主因子（表6），因此認為，Ca、S、B、Mn、Na 和Cr 元素為花椰菜花球中的特征性礦質元素。

通過各因子的特征值和載荷值，計算出各種質樣品的公因子得分、綜合得分及排名（表8）。結果表明，8種花椰菜種質中因子F1得分最高的是C18282 和2 號，說明其Ca、S 和B 含量較高；因子F2得分最高的是C18301和C18359，說明其Mn和Na含量較高；因子F3 得分最高的是C18267，說明其Cr 含量較高。8 種花椰菜種質的綜合排名依次為C18282＞2 號＞C18359＞C18267＞C18315＞C18259＞C18301＞C18261。可見，在相同的立地條件和管理水平下，花椰菜花球中礦質元素含量具有明顯的種質差異性，這為花椰菜的品種選育和平衡施肥提供了依據。

3 討論

蔬菜中礦質元素含量和土壤養分含量密切相關，同時也受植物自身營養吸收、轉運、分配、積累等多種因素影響［20-21］。研究證實，同一種礦質元素在不同類型、不同品種（品系）蔬菜中的含量差異較大［22］。如花椰菜中Ca和Mg含量為松花菜＞紫花菜＞緊花菜，K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn 含量為紫花菜＞松花菜＞緊花菜［18］；青花菜中自交系與雜交種Ca和Mg含量差異較大［20］，馬鈴薯栽培品種和地方品種間K、P、Na、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn 含量差異顯著［23］。另外，不同栽培條件下同一品種礦質元素含量差異也較大。如番茄有機栽培與傳統栽培條件下Al、Cu、Fe、Mn、Zn等礦質元素含量存在顯著差異［24］。元素含量的差異會影響生物學價值，深入研究不同種質對元素組成的影響對于育種工作者來說至關重要［21］。為此，近年來許多研究者利用礦質元素含量的差異開展農產品產地溯源及質量鑒別等研究［25］。李平惠等［26］測定了來自依安縣和拜泉縣2 個地域54 份蕓豆樣品中31 種礦質元素的含量，結果表明，不同地域間的蕓豆中25 種礦質元素含量存在顯著差異。類似的研究還在辣椒［27］、大蔥［28］、洋蔥［29］等農產品上開展。

表6 花椰菜花球中16種礦質元素的因子分析

表7 旋轉后的因子載荷矩陣

表8 花椰菜種質16種元素因子分析的綜合得分與排名

本研究中，不同類型花椰菜種質花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 種元素均存在極顯著差異，變異系數為3.39%～70.39%。花椰菜（白色）礦質元素平均含量為：K＞S＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Fe＞Zn＞B＞Mn＞Cr＞Cu＞Si＞Ni＞Co＞Pb；而青花菜礦質元素平均含量為：K＞S＞P＞Ca＞Mg＞Na＞Zn＞B＞Fe＞Mn＞Cu＞Ni＞Cr＞Co＞Si＞Pb。本試 驗 中采集的花椰菜花球樣品均來自同一溫室大棚，立地條件、施肥水平、管理模式、采收時期等均一致，消除了環境因子的影響。因此，不同花椰菜花球中礦質元素的差異來源于類型及品種（品系）。

分析蔬菜果實中養分的相關性，有助于了解元素間可能存在的內在聯系，為均衡施肥、平衡施肥、實現優質高產提供數據參考。研究認為，果實中礦質元素含量間既存在相互促進作用，也存在拮抗作用，還存在補充替換關系［30］。本試驗結果表明，花椰菜花球中礦質元素含量間存在復雜的正相關或負相關關系，如Ca 和B 極顯著正相關，這和Fallahi 等［31］的研究結果相一致；而Fe與B 間呈顯著負相關，這與匡立學等［12］在葡萄果實中的研究結果不一致。這主要是由于果實中礦質元素含量受自身遺傳特性及多種環境因子綜合影響。

花椰菜果實中元素間的相關性還有助于篩選優良種質。如本研究中選擇1 個Ca 含量高的種質，其Mg、S、B含量也可能高；但是選擇1個K含量高的種質，同時其Pb 含量也可能高。相關性分析僅僅說明了同一時間點兩元素間的簡單關系。本研究中青花菜的Ca 和S 含量明顯高于緊花菜和松花菜，表明青花菜是人類飲食中潛在的Ca 和S 元素重要來源。因此，種質性狀的綜合評估至關重要，在今后育種工作中，不僅要致力于提高果實營養品質，還應重視減少有害元素的存在［21］。

目前，因子分析和聚類分析已被廣泛應用于辣椒［32］、茄子［33］、蘋果［34］、杧果［35］、錐栗［36］等果蔬品質分析中。因子分析可在眾多變量中找出潛在的具有代表性的共性因子，其前提是變量間需存在一定的相關性。本研究中花椰菜花球中礦質元素間具有復雜的相關性，通過因子分析可將16 種礦質元素指標進行簡化，最終篩選出Ca、S、B、Mn、Na和Cr元素作為評價花椰菜花球營養品質的特征性礦質元素。進一步分析得出，C18282、2號、C18359 和C18267 這些花椰菜種質綜合得分排名靠前，具有潛在利用價值。

聚類分析是通過數據建模簡化數據的一種數學方法，其分類結果客觀、科學，主觀因素少，可同時對大量性狀進行綜合考察評價［37］。本研究利用系統聚類法將8 份花椰菜種質分為3 類，第一類包含5 份種質，主要表現為K 含量較高，可作為親本選育高K的品種；第二類只包含C18261，為松花類型，該類種質Si 含量較高，可作為親本選育高Si 的品種；第三類包含C18282 和2 號，均為青花菜，該類種質Ca、S、B 含量較高，而Pb 含量較低，可作為親本選育高Ca、S、B 和低Pb 的品種。因此，不同類別間存在明顯差異，表明此分類結果科學有效。聚類分析結果可為花椰菜種質的不同用途提供數據參考。