基于主成分分析的釀酒葡萄雜交后代果實品質評價

王小龍，史祥賓，冀曉昊，王寶亮，張藝燦，王海波*

（中國農業科學院果樹研究所/農業農村部園藝作物種質資源利用重點實驗室/遼寧省落葉果樹礦質營養與肥料高效利用重點實驗室，遼寧興城 125100）

釀酒葡萄在種植地區的品質表現是決定其商品價值的關鍵，可作為該品種適應性評價及推廣的重要依據[1]。近年來，我國釀酒葡萄產區逐漸向東北和西北地區推進，對現有釀酒葡萄品種的抗寒性和品質提出了更高的要求。因此，本研究選擇具有優質、豐產特性的‘美樂’作為父本，抗寒性較強的‘華葡1號’為母本進行雜交，通過對其雜交后代果實品質的綜合評價，篩選出優質、抗寒的釀酒葡萄新品種。葡萄酒的品質是由釀酒原料決定的，釀酒葡萄果實外在品質包括百粒質量、皮果比、籽果比等，內在品質主要包括糖、酸、總酚、黃烷醇、花色苷、總黃酮、單寧等指標。葡萄酒風味與果實的糖酸比、酚類物質、香氣物質濃度直接相關[2]。糖酸組成決定葡萄果實的口感與風味，直接影響葡萄酒的酒體結構與感官品質。酚類物質是葡萄酒最重要的風味物質之一，包括總酚、黃烷醇、單寧、總黃酮、花色苷等物質，影響葡萄酒的口感、顏色和生理活性功能[3]。由于不同品質指標之間既相互獨立，又存在著一定的相關性，因此亟需構建科學的評價體系對釀酒葡萄綜合品質進行評價。目前，常用的果實品質評價方法有方差分析[4]、感官評定[5]、主成分分析[6]、相關性分析[7]、聚類分析[8]等。其中，主成分分析能夠將原來的多個指標轉化成數目較少的綜合指標，用較少的指標來反映原有的信息，在果實品質分析中被大量應用。研究通過方差分析、相關性分析及主成分分析法綜合評價了不同雜交后代的優劣性，以期為篩選抗寒優質的釀酒葡萄品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2020年9月在中國農業科學院果樹研究所溫泉基地進行。試驗點地處北溫帶亞溫潤性氣候區，年平均氣溫8.7 ℃，年平均降水量600 mm，雨熱同季，無霜期175 d。以2017年定植‘貝達’砧木嫁接的釀酒葡萄‘華葡1號×美樂’雜交后代為研究對象，單干雙臂架型，株行距為2 m×2 m。共選擇12個雜交后代株系，編號：XC1，XC2，XC5，XC6，XC7，XC8，XC13，XC14，XC18，XC19，XC20，XC22。

1.2 測定指標

于2020年9月20日成熟期取樣，每處理隨機選取30個果穗，從果實的上中下各部位隨機采集果粒720粒，用于測定粒質量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH、可滴定酸、皮/籽總酚、花色苷、皮/籽總黃酮、皮/籽黃烷醇、皮/籽單寧。可溶性固形物的測定采用手持測糖量計，可滴定酸的測定采用電位滴定儀，用pH計測定果汁pH值。皮果比、籽果比分別是果皮與果實質量比和籽粒與果實質量比，以30粒為1組，剝離果皮和種子并稱量，按照定義進行計算。葡萄果皮和葡萄籽總酚、花色苷、總黃酮、黃烷醇、單寧物質的提取和含量測定參照蘇鵬飛[9]方法，以上所有測定指標均進行3次生物學重復。

1.3 數據分析

采用Excel 2007軟件進行數據整理，并計算得出平均值、標準差和變異系數。運用SPSS 22.0軟件進行方差分析、相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 不同株系果實品質的比較

由表1可知，12個株系的外觀指標和內在品質均存在顯著差異。XC5百粒質量最大，為239.30 g，顯著高于其它株系。XC19的皮果比為17.14，XC14和XC20的籽果比均為8.29，顯著高于其他株系。XC14和XC8可溶性固形物較高，分別為22.50%和21.90%，與其它株系呈顯著性差異。XC7的pH為4.28，顯著高于其他株系，XC14的pH最低為3.26。各株系的可滴定酸分布在0.24%～1.03%。有研究表明，葡萄果皮和種子的酚類物質含量遠超過果肉，且是葡萄酒中的酚類物質主要來源[10]。酚類物質最高含量在各株系中表現相似，XC2的皮總酚（28.31 mg/g）、皮黃烷醇（185.67 mg/g）、皮單寧（13.51 mg/g）均顯著高于其他株系。XC8的籽總酚（64.29 mg/g）、籽黃烷醇（836.63 mg/g）、籽總黃酮（53.58 mg/g）均顯著高于其他株系。XC1花色苷含量最高，為12.750 mg/g，XC2、XC7、XC14之間無顯著差異，其它株系之間均存在顯著差異。

2.2 不同株系果實品質變異系數分析

變異系數是指不同個體的性狀受不同環境條件的影響而發生的變異程度，它能反映果實性狀變化的基本動態。由表2可知，12個葡萄株系果實品質變異程度很大，變異系數在8.29%～89.62%。酚類物質的變異系數普遍高于外觀品質和糖酸品質。其中，籽單寧的變異系數最大，為89.62%，皮單寧較大為69.94%；其次是皮黃烷醇的變異系數為63.67%，說明不同株系間這兩項指標性狀變異大，有著豐富的遺傳多樣性。百粒質量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH幾個指標的變異系數較小，分別為19.49%、21.71%、21.25%、11.05%、8.29%，說明株系間這些品質性狀差異小，遺傳較為穩定。

表2 不同株系果實品質變異系數Table 2 Variation coefficient of fruit quality in different lines

2.3 葡萄果實不同品質相關性分析

通過以上分析可知，利用多個果實品質指標對不同株系果實品質進行評價難以選擇出最佳優系，因此需要建立一個合理的評價體系來進行統一評價。由表3可知，各品質指標間存在著一定的相關性，外在品質和糖酸品質與其他品質間呈顯著或極顯著負相關。百粒質量與可溶性固形物呈顯著負相關，與花色苷極顯著負相關。皮果比與皮總酚極顯著負相關。籽果比與籽總酚、籽總黃酮、籽單寧顯著負相關，與籽黃烷醇極顯著負相關。pH與可滴定酸呈顯著負相關。酚類物質各成分間呈顯著或極顯著正相關。皮中的總酚與總黃酮顯著正相關。籽總酚與皮/籽黃烷醇、籽總黃酮、皮單寧顯著正相關，與皮總黃酮極顯著正相關。皮黃烷醇與皮/籽總黃酮顯著正相關，與皮單寧極顯著正相關。籽黃烷醇與籽總黃酮和籽單寧極顯著正相關。花色苷與皮總黃酮顯著正相關。皮總黃酮與皮單寧、籽總黃酮和籽單寧均極顯著正相關。由此可見，雜交后代果實品質之間呈現一定的相關關系，由此造成對果實品質進行評價時會產生信息重疊現象，因此可以采用主成分分析法對評價指標進行降維，進一步評價果實品質。

表3 葡萄果實不同品質相關性Table 3 Correlation of different fruit qualities

2.4 葡萄果實品質主成分分析

對12個株系的果實品質指標數據進行主成分分析。如表4所示，以特征值＞1為標準，共提取了4個主成分。前4個主成分對綜合品質的累積貢獻率已達到84.59%（＞80%），說明在變量不丟失的前提下，這4個主成分包含原始數據84.59%的信息，可以代表原來的15個品質指標進行分析和評價。其中第1個主成分的代表指標為籽總酚（0.83）、籽黃烷醇（0.81）和籽總黃酮（0.82），特征值為5.33，貢獻率為35.52%，是最重要的主成分，反映了葡萄籽粒中酚類含量。第2個主成分的代表指標為皮總酚（0.89）、皮總黃酮（0.78）、花色苷（0.76）和百粒質量（﹣0.77），特征值為3.99，貢獻率為26.57%，主要反映了果皮酚類含量和果實大小。第3個主成分的代表指標為可溶性固形物（﹣0.63），特征值為1.80，貢獻率為12.02%。第4個主成分的代表指標為pH（﹣0.59），特征值為1.57，貢獻率為10.48%。第3和4主成分主要反映了果實風味。綜上所述，果實外觀品質（百粒質量）和內在品質（可溶性固形物、pH、皮/籽總酚、籽黃烷醇、皮/籽總黃酮、花色苷）是評價釀酒葡萄果實品質的重要性狀指標。將因子得分以方差貢獻率為權數進行加權求和，得到各株系果實品質綜合得分（表5）。由此可見，XC8和XC2果實品質在遼寧地區表現最佳。

表4 葡萄果實品質主成分載荷矩陣和方差貢獻率Table 4 Principal component load matrix and variance contribution rate of fruit quality

表5 主成分因子得分及果實綜合品質得分Table 5 Principal component factor score and fruit comprehensive quality score

3 討論與結論

釀酒葡萄中的糖和酸是決定葡萄品質的重要因素，同時作為初生代謝物，也影響著葡萄的次生代謝活動[11]，其中糖是基礎，最終決定葡萄酒的酒度。XC14和XC8可溶性固形物含量較大，分別為22.50%和21.90%，均顯著高于其他株系。酚類物質是葡萄次生代謝過程中產生的一類重要化合物，主要包括總酚、黃酮類、花色苷、黃烷醇、單寧等，在葡萄果皮、種子中大量存在[12]。酚類物質與酒中的蛋白質、多糖相互作用，參與葡萄酒的口感、骨架、結構和色澤等品質的形成[13]，對葡萄酒的風味特征和品質具有重要影響。12個株系中，葡萄籽中的酚類物質普遍高于果皮，與張娟[3]和孫樹霖[14]得出的果皮中酚類物質含量最高的結論不一致，可能是受遺傳特性及外界環境的共同影響所致[15]。本研究中，酚類物質最高含量在各株系中表現相似，XC2的皮總酚和皮黃烷醇均顯著高于其他株系，XC8的籽總酚和籽黃烷醇均顯著高于其他株系。總黃酮物質在果皮和種子中含量較高，是葡萄酒品質的關鍵因素[16]。XC2和XC8皮總黃酮間無顯著差異，但明顯高于其他株系，XC8的籽總黃酮均顯著高于其他株系。紅葡萄酒的顏色主要來源于果皮，其中的花色苷不僅提供葡萄酒的顏色，對葡萄酒的澄清度、穩定性等有重要作用[17]。XC1花色苷含量最高為12.75 mg/g，XC2、XC7、XC14之間無顯著差異，其他株系之間均存在顯著差異。單寧的含量決定葡萄酒的口感結構[18-19]，XC2的皮單寧和XC5的籽單寧含量最高，分別為13.51 mg/g和22.86 mg/g，均顯著高于其他株系。

劉春艷[7]對7個釀酒葡萄果實的12個品質性狀進行分析發現，果實性狀的變異系數達4.43%～73.30%。蔡軍社[20]研究發現，不同樹齡‘赤霞珠’果穗質量性狀的變異系數分布在26.50%～37.24%。本研究中，不同株系間各項品質指標間差異顯著，12個雜交后代株系變異程度較大，為8.29%～89.62%。酚類物質的變異系數普遍高于外觀品質和糖酸品質，說明酚類物質具有較豐富的遺傳多樣性。果實品質相關性結果表明，外在品質和糖酸品質與其他品質間呈顯著或極顯著負相關，酚類物質中各成分間呈顯著或極顯著正相關。

主成分分析是一種將原來個數較多且彼此相關的果實品質指標轉化為新的個數較少且彼此獨立或不相關的綜合指標的分析方法[21]。研究通過主成分分析，12個株系果實品質的15項指標可轉化為4個相互獨立的綜合指標，其特征值均＞1，累積貢獻率達到84.59%，可反映果實品質性狀的大部分信息。主成分指標之間是綜合的、相互獨立的，避免原始信息之間的重疊干擾，符合分析要求。研究中，第1個主成分的代表指標為籽總酚、籽黃烷醇和籽總黃酮，第2個主成分的代表指標為皮總酚、皮總黃酮、花色苷，與孫樹霖[14]將釀酒葡萄果實中酚類含量主要差異簡化為果皮和種子中酚類物質含量的結果一致。由上述可知，株系XC8可溶性固形物高達21.9%，均顯著高于其他株系（XC14除外），且籽總酚和籽黃烷醇均顯著高于其他株系，皮總黃酮顯著高于其他株系（XC2除外），籽總黃酮均顯著高于其他株系。結合各株系主成分得分和排序，認為株系XC8綜合表現最佳。