基于主成分分析和聚類分析的23份黃皮種質資源的品質評價

喻華平，趙志常，高愛平，羅睿雄*

基于主成分分析和聚類分析的23份黃皮種質資源的品質評價

喻華平1,2，趙志常2，高愛平2，羅睿雄2*

1. 海南大學園藝學院，海南海口 570228；2. 中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所/國家熱帶果樹品種改良中心，海南海口 571101

為科學評價黃皮種質果實品質奠定基礎，采用主成分分析和聚類分析的方法，以23份黃皮種質資源的成熟果實為試材，測定單果重、果實縱徑、果實橫徑、果形指數、可食率、可溶性固形物、蛋白質、VC含量、總酸、可溶性糖、糖酸比11項品質指標，從中篩選出具有代表性的黃皮品質評價指標，并對23份黃皮種質進行聚類。結果表明，單果重、VC、蛋白質、可溶性糖、總酸和糖酸比的變異系數均在20%以上，其中黃皮果實的糖酸比變異系數最大，高達108.57%，不同黃皮種質間營養成分的含量差異大，具有豐富的遺傳信息和多樣性；而果實橫徑、果形指數的變異系數均在10%以下，果形指數的變異系數最小，僅6.98%，黃皮外觀形狀、大小遺傳比較穩定、改良空間較小；23份黃皮種質的各品質指標之間存在顯著或極顯著的相關性；將數據標準化處理后，進行主成分分析，提取出4個具有代表性的主成分，累計方差貢獻率達到85.41%；通過計算得到第1～4主成分因子得分和品質指標的綜合得分，其中第1、2主成分在黃皮品質綜合評價中起到關鍵作用，綜合評價得分最高的為A3，得分最低的為G1；對黃皮種質資源的品質影響較大且相對獨立的有單果重、果形指數、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比這6個指標；將6個具有代表性的品質指標的數據標準化處理后進行系統聚類分析，在歐氏距離15處，可得到4大類群，第I大類群有A3和Y-2，果實大、可食率較高、糖酸比高，風味偏甜，品質優良，第II大類群有X1、Y-1、G2和B1，果實較大，形狀多樣，可食率高，可溶性糖和糖酸比較低，品質較差，第III大類群包括300-1、J2、300-2、9-3、H1、A1、Z1、A2、N-3這9份黃皮種質，其果實大小偏低，可食率較高，酸甜適中，第IV類群包括A5、N-1、H2、A6、T1、G1、J1、J3這8份種質，其果小，可食率低，可溶性糖較低，總酸較高，糖酸比極低，口感較差。

黃皮；種質資源；主成分分析；聚類分析；品質評價

黃皮[]是一種生長在熱帶和亞熱帶地區的蕓香科柑橘亞科黃皮屬優稀果樹，別名又稱黃彈子、金彈子、黃檀子等[1]，原產于我國南部，在廣東、廣西、海南及四川（金沙江河谷地區）等南方省（區）均有一定的栽培面積[2]，其作用廣泛，果實、果核、根、葉皆可入藥，果實還可鮮食，或加工成糖果、蜜餞、果醬、糖漬等，頗受消費者的歡迎，民間素有“果中珍寶”的美稱[3]。

種質資源作為遺傳信息的重要載體，可提供豐富的母本材料，對新品種的選育有著直接或間接的重要參考價值[3]。同時，果實品質是評價果實好壞的重要依據[4]，感官品質更是消費者選擇商品果實的重要指標，但果實品質之間的主次界限并不清晰，多元統計分析法作為一種綜合評價方法，可將無量綱標準化處理的數據進行降維，以各主成分的方差貢獻率為權重，將這些品質指標進行合理的簡化[5]。目前，多元統計分析法已在桃[6-7]、杏[8-9]、李[10-11]、梨[12-14]、蘋果[15]、石榴[4, 16]等果樹的品質性狀評價中大量應用，同時，多元統計分析中的主成分分析和聚類分析法在黃皮種質或品系的品質評價及分類中也有應用。陸育生等[17]采用多元統計分析法，將13項果實品質指標分為5類，22份黃皮種質分為3類，結果與實際口感評價結果一致；彭程等[18]對8個黃皮品系內的香氣物質進行了檢測和分析，通過主成分分析和聚類分析法，探究了黃皮香氣的差異，將7個黃皮品系聚為一類；彭程等[19]采用相關性分析和主成分分析對184份黃皮種質的有機酸成分進行了分析，從中挖掘出了高檸檬酸和低檸檬酸的黃皮種質。

因此，本研究以23份黃皮種質資源為研究對象，基于不同黃皮種質的11個品質指標之間的相關性分析，采用主成分分析和聚類分析的多元統計分析法，對23份黃皮果實品質進行綜合評估和聚類分析，以期為構建黃皮種質的品質評價指標體系和科學評價其品質奠定基礎，并為新品種的選育提供一定的參考價值。

1 材料與方法

1.1 材料

供試黃皮種質有23份，樹齡均為7～8年，砧木為本地黃皮果樹，種質編號分別為300-1、300-2、9-3、A1、A2、A3、A5、A6、B1、G1、G2、H1、H2、J1、J2、J3、N-1、N-3、T1、X1、Y-1、Y-2和Z1。樣品果均采自中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所國家熱帶果樹品種改良中心基地（海南省儋州市）。在果實成熟期，每份黃皮種質均隨機采取15個具有代表性且無病蟲害的成熟果實，去梗洗凈，用紗布擦干果實表面水分，測定外觀指標，測完后，將每份種質資源的所有樣品的果肉混合均勻，放到–20℃冰箱內，用于生理生化指標測定。

1.2 方法

用JI602電子天平（梅特勒公司）測定單果重；0～150 mm電子數顯游標卡尺（漢中萬目儀電有限責任公司）測定果實的縱徑和橫徑，并通過果實縱、橫徑之比計算出果形指數；采用稱重法測定可食率，用單果重減去果皮重和種子重的差值與單果重的比值表示；采用MASTER-M型手持式折光儀（上海捷瀘）測定可溶性固形物含量；考馬斯亮藍法[20]測定蛋白質含量；采用高效液相色譜法[21-22]測定VC和可溶性糖；用NaOH中和滴定法[23]測定總酸含量；用可溶性糖含量與總酸含量的比值表示糖酸比。

1.3 數據處理

利用Excel 2010軟件進行統計分析，利用SPSS 18.0軟件進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 23份黃皮種質品質指標的測定結果及分析

23份黃皮種質的11個品質指標的變異情況分析結果如表1所示。由表中數據可知，不同黃皮種質的11個品質性狀表現出不同程度的變異，且變異系數較大。其中，糖酸比的變異系數最大，為108.57%，說明不同種質之間的口感相差較大；其次為蛋白質、總酸、單果重、VC、可溶性糖、可溶性固形物、可食率、縱徑、橫徑，變異系數在9.12%～35.49%；果形指數的變異系數最小，為6.98%，果實大多呈圓球形、橢圓形或圓錐形。

2.2 黃皮種質品質指標的相關性分析

23份黃皮種質果實的11個內外品質指標的相關性分析如表2所示。果實單果重與果實縱、橫徑呈極顯著的正相關；果實縱徑與果實橫徑、果形指數呈極顯著的正相關；果形指數與蛋白質含量呈顯著的正相關，而與VC含量呈顯著的負相關；可食率與總酸呈極顯著的負相關；可溶性固形物與可溶性糖、糖酸比呈極顯著的正相關；可溶性糖與糖酸比呈極顯著的正相關；總酸與糖酸比呈極顯著的負相關。

2.3 黃皮品質指標的主成分分析

2.3.1 主成分分析 采用SPSS 18.0軟件對23份黃皮種質的11個品質指標的平均數進行無量綱標準化處理，將經過標準化處理后的數據進行主成分分析，得到黃皮品質觀測指標的主成分的特征值、方差貢獻率和累計貢獻率，結果如表3所示。在SPSS主成分分析的降維過程中，認為特征值大于等于1或者累計方差貢獻率大于85%的主成分具有一定代表性[24]。因此，從表3中可以看出，前4個主成分的方差特征值分別為3.960、2.641、1.503、1.292，均大于1，同時，這4個主成分的累計方差貢獻率為85.41%，大于85%。因此，按照主成分提取的標準，本次實驗可提取到符合條件的4個主成分，而其他成分的特征值均小于1，且方差貢獻率趨于平緩，代表性不強，不提取為主成分。

表2 品質指標的相關性分析

注：*表示顯著相關（<0.05），**表示極顯著相關（<0.01）。

Note:*indicates significant correlation (<0.05),**indicates extremely significant correlation (<0.01).

表3 主成分的特征值和貢獻率

提取的主成分載荷矩陣如表4所示。主成分1主要是單果重、縱徑、橫徑、果形指數、VC、總酸和糖酸比這7個指標共同影響。其中，果實縱徑的正向載荷最大，其次單果重、橫徑和糖酸比正向載荷較大，對綜合評價結果起到正作用，果實縱、橫徑和果形指數反映果實的外觀形狀，黃皮果實形狀主要呈圓球形、橢圓形或圓錐形；單果重反映果實的大小；糖酸比是還原性糖與總酸的比值，反映果實酸甜的口感；而主成分1中VC與總酸為負向載荷，代表酸度高、VC高對黃皮果實的綜合評價起到負作用。因此，主成分1主要反映黃皮果實的大小、外觀形狀、口感。主成分2主要是果形指數、可溶性固形物、可溶性糖、總酸和糖酸比這5個指標共同影響，其中可溶性固形物、可溶性糖和糖酸比為正向載荷，而果形指數和總酸為負向載荷。因此，主成分2主要反映黃皮果實的外形、風味。主成分3主要由橫徑、VC、蛋白質和總酸這4個指標共同影響，其均為正向載荷。主成分3主要反映黃皮果實的形狀、營養物質和風味品質。主成分4主要是橫徑、果形指數和蛋白質這3個指標共同影響，其中僅果實橫徑為負向載荷。主成分4主要反映黃皮果實的形狀和能量含量。

表4 23份黃皮種質品質指標主成分載荷矩陣

2.3.2 綜合性評價 主成分特征向量系數計算公式如下：

計算得出每個主成分特征向量系數后，構建得到1～4主成分的得分函數表達式，分別為：

1=0.431+0.442+0.393+0.254+0.235–0.026–0.387+0.148+0.089–0.2510+0.3411；

2=–0.091–0.242–0.053–0.354–0.105+0.506–0.127–0.038+0.539–0.3510+0.3511；

3=0.301+0.192+0.333–0.104–0.305+0.296+0.337+0.368+0.319+0.4210–0.2511；

4=–0.271–0.022–0.413+0.494+0.125+0.136–0.047+0.688+0.149–0.0210+0.0111。

式中1、2、3、4分別表示第1～4個主成分的特征向量權重值，1、2、3、……、8分別代表每份種質標準化后單果重、縱徑、橫徑、果形指數、可食率、可溶性固形物、VC、蛋白質、可溶性糖、總酸和糖酸比的結果。

黃皮綜合品質得分的計算公式如下：

式中為黃皮綜合品質得分值，1、2、3、4分別代表第1～4個主成分的特征值。

將數據分別代入上述式中，即得黃皮綜合品質得分計算式為：

=0.421+0.282+0.163+0.144

最后，通過SPSS進行變量計算，將每個品質指標標準化后的數據分別代入1～4函數式中，即得到1～4主成分因子得分，再將該得分代入至函數式中，計算得到23份黃皮種質的品質綜合得分，并進行排序，結果如表5所示。

因此，綜上分析結果可知，第1、2主成分在黃皮品質綜合評價中起到關鍵作用，而第3、4主成分在綜合評價中占比不大。即單果重、果實縱徑、可食率、VC、可溶性糖、總酸和糖酸比對黃皮品質的影響較大，VC和總酸含量較低、可溶性糖、糖酸比和可食率較高的、果實較大的圓球形黃皮種質品質較好。

2.4 23份黃皮種質的聚類分析

根據品質指標的相關性分析和主成分分析的結果，篩選出單果重、果形指數、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比6個指標，將其數據標準化轉換后，采用歐氏距離平方法進行系統聚類分析，可將23份黃皮種質資源分為4大類群（圖1）。黃皮種質A3和Y-2從23份資源內分離出來，其果實較大，果形比例協調，為橢圓形或圓球形，可食率和可溶性糖較高，糖酸比高，而總酸低，風味偏甜，主成分綜合得分高，口感好，即為第I類群；X1、Y-1、G2和B1這4份種質，其果實較大，形狀多樣，可食率高，果形指數較高，有雞心形、長心性、橢圓形等形狀，可溶性糖和糖酸比較低，綜合品質較前者差，即組成第II類群；300-1、J2、300-2、9-3、H1、A1、Z1、A2、N-3這9份種質為第III類群，其果實大小偏低，可食率較高，酸甜適中；其余8份資源（A5、N-1、H2、A6、T1、G1、J1、J3）則組成第IV類群，其果小，可食率低，可溶性糖較低，總酸較高，糖酸比極低，口感較差，與其他種質差異大。

表5 主成分因子得分及排序表

圖1 23份黃皮種質資源的系統聚類分析圖

3 討論

果實的品質性狀可以反應其遺傳特性，而果實品質有多個組成因子，不同的因子成分相對獨立又密切相關[17]。本研究測定了23份黃皮種質的11個品質指標，將11個指標進行統計和相關性分析發現，黃皮果實的糖酸比變異系數最大，高達108.57%，說明該性狀具有豐富的遺傳信息和可發展潛力；而果實橫徑、果形指數的變異系數均在10%以下，其中，果形指數的變異系數最小，僅6.98%，說明黃皮外觀形狀、大小的遺傳相對比較穩定，改良空間較小；這11個品質指標并不是完全獨立的，其間存在顯著或極顯著的相關性，其中，黃皮果實橫徑與單果重正相關性最大，總酸與糖酸比的負相關性最大。對于果實評價而言，從眾多品質指標中選擇具備代表性的指標就顯得尤為重要。

主成分分析也稱主分量分析，是可以將這些有聯系又相對獨立的眾多指標，用少數綜合的變量進行概括，起到降維的多元統計方法[25]。這種方法被普遍運用到桃、杏、李、梨、蘋果等果樹果實的品質性狀的分析評價中[6-15]，這表明該方法能有效地對相對獨立又有一定聯系的數量性狀和質量性狀進行綜合考察分析。本研究采用主成分分析法，將11個品質指標簡化為4個綜合指標，即第1～4主成分，并從中篩選出最具代表性的6個指標，即單果重、果形指數、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比，選取的指標與陸育生等[17]簡化的黃皮果實品質評價指標基本一致。這證明23份黃皮種質的綜合品質主要取決于這6個品質性狀，表明其可以作為黃皮品質評價的核心指標，但單個指標值的高低并不能完全決定黃皮種質的綜合品質[26]。

聚類分析是按照相對獨立又有一定相關性的指標在性質上的親疏相似程度進行分類的一種多元統計分析方法[24]，其能將大量的種質資源進行分類、綜合考察。本研究以單果重、果形指數、可食率、可溶性糖、總酸和糖酸比這6個指標對供試的23份黃皮資源進行聚類分析，在歐氏距離為15時，可將其分為4大類群，第Ⅰ、Ⅲ類群的綜合表現較優，評價結果基本與實際口感相一致，進一步說明這6個指標對黃皮種質品質的評價具備有一定的合理性，能夠充分反應黃皮品質的特征，也證明了主成分分析和聚類分析在黃皮果實的品質評價方面具有一定的科學性和實用性[17]。

綜合以上分析，在黃皮果實品質評價中的綜合利用相關性分析、主成分分析和聚類分析，可以有效的簡化指標，并對所有種質科學的評價和合理的分類，減少了種質資源選優的工作量，為構建黃皮種質的品質評價指標體系和新品種的選育奠定了基礎。

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Quality Evaluation of 23 Species of(Lour.) Skeels Germplasm Resources Based on Principal Component Analysis and Cluster Analysis

YU Huaping1,2, ZHAO Zhichang2, GAO Aiping2, LUO Ruixiong2*

1. College of Horticulture, Hainan University, Haikou, Hainan 570228, China; 2. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / National Cultivar Improvement Center of Tropical Fruit Tree, Haikou, Hainan 571101, China

In order to lay the foundation for scientific evaluation of fruit quality of wampee germplasms, 11 fruit quality indices including single fruit weight, fruit length, fruit diameter, fruit shape index, edible rate, total soluble solid, vitamin C, protein, soluble sugar, total acid, sugar-acid ratio for the mature fruits of 23 wampee germplasms resources were measured and analyzed using principal component analysis and cluster analysis. Lastly, the representative quality evaluation indexes were selected from indices, 23 wampee germplasms resources were clustered according to the selected indexes. The results showed that the variation of single fruit weight, vitamin C, protein, soluble sugar, total acid and sugar-acid ratio were above 20%, while the variation of fruit diameter and fruit shape index were below 10%. Among them, the variation of sugar-acid ratio of wampee germplasms was the most significant, which was as high as 108.57%, while the variation of fruit shape index was the most non-significant, only 6.98%. This indicated that the content of nutrients varied greatly among different wampee germplasm, with abundant genetic information and diversity, and the appearance and size of them were genetically stable, and had less space for improvement. There were significant or extremely significant correlations among the quality indexes of the germplasm. After standardizing the data, the principal component analysis was carried out, and four representative principal components were extracted, of whom cumulative proportion reached 85.41%. According to the score of the 1stto 4thprincipal component factor and the comprehensive score of the quality indexes, the first and second principal components played a key role in the comprehensive evaluation of wampee quality, the highest score was A3, and the lowest score was G1. Meanwhile, the six indexes which has great influence and relatively independent on the quality of wampee germplasm resources were single fruit weight, fruit shape index, edible rate, soluble sugar, total acid and sugar-acid ratio. The systematic cluster analysis of fruit quality in wampee by the 6 selected and representative indexes which were standardized showed that the fruit quality from the germplasm resources could be clustered into 4 groups according to Euclidean distance of 15. The 1stgroup had A3 and Y-2, which were the largest, and had a high edible rate and sugar-acid ratio, with a sweet flavor and excellent quality. The 2ndgroup had X1, Y-1, G2 and B1, the fruits were larger and diverse in shapes, with high edible rates, but relatively low in soluble sugar and sugar acids, and inferior quality. The 3rdgroup included 300-1, J2, 300-2, 9-3, H1, A1, Z1, A2 and N-3, which had low fruit size, high edible rate, moderate sour and sweet. The 4thgroup included A5, N-1, H2, A6, T1, G1, J1, J3, which had small fruit, low edible rate, low soluble sugar, high total acid, low sugar-acid ratio and poor taste.

wampee; germplasm resources; principal component analysis; cluster analysis; quality evaluation

S666.6

A

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.07.006

2022-01-25；

2022-02-27

海南省重點研發計劃項目（No. ZDYF2020057）；海南省自然科學基金高層次人才項目（No. 320RC728）。

喻華平（1997—），女，碩士研究生，研究方向：熱帶果樹種質資源與育種。*通信作者（Corresponding author）：羅睿雄（LUO Ruixiong），E-mail：luoruixiong@163.com。