基于主成分分析的不同朝天椒品種品質(zhì)綜合評價

常曉軻，董曉宇，韓婭楠，程志芳，姚秋菊，李 麗

（河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 鄭州 450000）

21 世紀(jì)是中國辣椒產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展階段，據(jù)國家大宗蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系統(tǒng)計，近年來辣椒面積穩(wěn)定在210 萬hm2以上，成為中國種植面積最大的蔬菜，河南的辣椒種植面積超過24 萬hm2[1]，其中朝天椒占1/4。朝天椒主要種植區(qū)域為豫東的柘城、睢縣，豫中的臨潁，豫南的鄧州、內(nèi)鄉(xiāng)、方城、社旗，豫西的新安、宜陽、澠池，豫北的內(nèi)黃、滑縣、清豐等地。其中，柘城縣以辣椒為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，先后被評為“全國農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合發(fā)展先導(dǎo)區(qū)”“國家農(nóng)村創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)園區(qū)”“省級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園”，榮獲“全國辣椒產(chǎn)業(yè)化發(fā)展示范縣”等榮譽，實現(xiàn)了由“中國三櫻椒之鄉(xiāng)”向“中國辣椒之都”的精彩蝶變。“柘城辣椒”被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部確定為農(nóng)產(chǎn)品地理標(biāo)志登記產(chǎn)品，榮登地理標(biāo)志品牌百強榜第56 位，品牌價值達到60.52億元[2-3]。

辣椒除菜用、調(diào)味、加工功能外，還具有藥用、飼用、觀賞功能，是消費功能最多的蔬菜，因而越來越受到消費者的喜愛。近年來，為了提高辣椒的產(chǎn)量和品質(zhì)，科技工作者多在辣椒栽培[4]、病蟲害防治[5-6]、綜合評價[7-8]等方面進行研究。蓬桂華等[8]對93 份辣椒種質(zhì)資源按平均隸屬度可分為4 大類型，即高品質(zhì)型、中品質(zhì)型、一般品質(zhì)型和特殊品質(zhì)型。白健君等[9]對40 份辣椒果實依據(jù)其果色和果形進行系統(tǒng)分類，通過相關(guān)性分析和聚類分析，較全面地對辣椒的主要農(nóng)藝性狀進行了描述與分析。郝衛(wèi)等[10]研究表明在改良辣椒形態(tài)性狀時，按育種目標(biāo)的要求選取主要性狀，同時也要注意與其他性狀間的關(guān)聯(lián)。任朝輝等[11]開展了朝天椒種質(zhì)資源品質(zhì)和產(chǎn)量的綜合評價分析，未發(fā)現(xiàn)品質(zhì)和干椒產(chǎn)量同時表現(xiàn)較好的品種。目前，對朝天椒的研究主要集中在農(nóng)藝性狀上，對朝天椒農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀綜合評價報道不多，同時河南地區(qū)朝天椒品種比較單一化，同質(zhì)化嚴(yán)重，因此，亟需引進綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異的朝天椒，綜合評價朝天椒表現(xiàn)。筆者通過對40 份朝天椒的14 項性狀指標(biāo)進行主成分分析和聚類分析，綜合評價篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)良的朝天椒品種，以期為河南的朝天椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展和朝天椒品種選育工作提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗地點

試驗材料為40 個朝天椒品種，詳見表1。試驗地點設(shè)于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院柘城試驗基地，試驗地地勢平整，土壤肥力均勻。采用72 孔穴盤育苗，于2021 年3 月15 日播種，5 月4 日定植，10 月30 日采收，露地高壟栽培，壟長8.5 m，壟寬1.8 m，株行距40 cm×50 cm，小區(qū)面積15.3 m2，每小區(qū)20 株，3次重復(fù)，完全隨機排列。

表1 供試品種名稱和來源

1.2 測定指標(biāo)

測量朝天椒農(nóng)藝性狀包括株高、株幅、始花節(jié)位、單株果數(shù)、果長、果橫徑、果肉厚度、單果質(zhì)量、干鮮比等9 個形態(tài)指標(biāo)，其中，干鮮比（%）=干果質(zhì)量/鮮果質(zhì)量×100。于辣椒紅熟期，各小區(qū)隨機選取5 株進行相關(guān)性狀指標(biāo)的測量并記錄，結(jié)果取平均值。測量標(biāo)準(zhǔn)參照李錫香《辣椒種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]。測定蛋白質(zhì)、可溶性糖、粗纖維、辣椒素、二氫辣椒素的含量。每個樣品田間采收1000 g 紅辣椒備用，采用GB 5009.5－2016 的方法測定蛋白質(zhì)含量[13]，3 次重復(fù)；采用NY/T 1278－2007 銅還原碘量法測定可溶性糖含量[14]，3 次重復(fù)；采用GB/T 5009.10－2003 的方法測定粗纖維含量[15]，3 次重復(fù)；采用NY/T 1381－2007 高效液相色譜法測定辣椒素和二氫辣椒素含量[16]，2 次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計與整理；采用DPS v7.05 進行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 朝天椒品種性狀遺傳多樣性分析

由表2 可知，40 份朝天椒的14 個性狀指標(biāo)變異系數(shù)為8.66%～57.76%；單果質(zhì)量的變異系數(shù)是57.76%，單株果數(shù)的變異系數(shù)是50.44%，果橫徑的變異系數(shù)表現(xiàn)為41.67%，表明與產(chǎn)量相關(guān)的性狀進行遺傳改良的潛力較大。辣椒素含量的變異系數(shù)為37.71%，二氫辣椒素含量的變異系數(shù)為44.74%，表明朝天椒辣度表現(xiàn)出較高的變異性。株高、株幅、始花節(jié)位、果長、果肉厚度、干鮮比、粗纖維含量、可溶性糖含量的變異系數(shù)在10%～40%，只有蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)為8.66%。14 個性狀變異系數(shù)關(guān)系為：單果質(zhì)量>單株果數(shù)>二氫辣椒素含量>果橫徑>辣椒素含量>株幅>果肉厚度>株高>果長>可溶性糖含量>始花節(jié)位>粗纖維含量>干鮮比>蛋白質(zhì)含量，40 份朝天椒品種間性狀差異較大，具有較為豐富的遺傳多樣性，適宜篩選優(yōu)異朝天椒品種。

表2 辣椒品種性狀遺傳多樣性分析

2.2 朝天椒品種性狀相關(guān)性分析

40 個朝天椒的14 個性狀相關(guān)性分析表明（表3），株高與株幅、單株果數(shù)，株幅與單株果數(shù)，始花節(jié)位與蛋白質(zhì)含量，果橫徑與果肉厚度、單果質(zhì)量，果肉厚度與單果質(zhì)量，單果質(zhì)量與可溶性糖含量，辣椒素含量與二氫辣椒素含量均呈極顯著正相關(guān)；株幅與可溶性糖含量，始花節(jié)位與粗纖維含量，單株果數(shù)與粗纖維含量、二氫辣椒素含量，果橫徑與可溶性糖含量，果肉厚度與可溶性糖含量均呈顯著正相關(guān)；株幅與蛋白質(zhì)含量，單株果數(shù)與果橫徑，果橫徑與干鮮比、辣椒素含量、二氫辣椒素含量，果肉厚度與干鮮比呈極顯著負(fù)相關(guān)；單果質(zhì)量與干鮮比、粗纖維含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)；株高與果橫徑，株幅與始花節(jié)位，始花節(jié)位與果肉厚度、可溶性糖含量，果肉厚與粗纖維含量、辣椒素含量、二氫辣椒素含量，單果質(zhì)量與辣椒素含量、二氫辣椒素含量，干鮮比與可溶性糖含量均呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)系數(shù)

2.3 朝天椒品種農(nóng)藝性狀的主成分分析

對14 個生長指標(biāo)進行主成分分析（表4），以特征值＞1.0 為標(biāo)準(zhǔn)，提取到5 個主成分，方差貢獻率依次為31.06%、20.79%、11.07%、8.82%、8.00%，累計方差貢獻率達79.74%，即這5 個成分可以代表大部分篩選信息。第一主成分方差貢獻率最高，為31.06%，占比較高的指標(biāo)分別為單果質(zhì)量、果橫徑、果肉厚度，說明第一主成分是反映果實性狀因子。第二主成分占比較高的指標(biāo)分別為株幅和蛋白質(zhì)含量。第三主成分主要影響因子是株高、辣椒素含量和二氫辣椒素含量，說明第三主成分是反映高度和辣度因子。第四主成分主要影響因子是果長，說明第四主成分是反映果實長度因子。第五主成分主要影響因子是干鮮比和粗纖維含量，說明第五主成分是反映干椒性狀因子。

表4 朝天椒品種性狀的主成分因子

2.4 朝天椒品種綜合評價

根據(jù)因子得分系數(shù)矩陣及其所對應(yīng)的主成分，可以計算出5 個主成分因子得分，公式如下所示：

其中，X1～X14 分別表示株高、株幅、始花節(jié)位、單株果數(shù)、果長、果橫徑、果肉厚度、單果質(zhì)量、干鮮比、可溶性蛋白含量、粗纖維含量、可溶性糖含量、辣椒素含量、二氫辣椒素含量14 個性狀指標(biāo)；F1、F2、F3、F4、F5 分別表示主成分因子1、2、3、4、5 得分。以各主成分特征值比率為權(quán)重，構(gòu)建40 個品種性狀綜合評價得分函數(shù)，公式如下所示：

F=0.39F1+0.26F2+0.14F3+0.11F4+0.10F5。（6）

其中，F(xiàn)為40 個辣椒品種14 個性狀的綜合評價得分。將X1～X14 分別代入F中，計算成分得分和綜合得分表。根據(jù)式（6）的綜合評價得分函數(shù)可得出不同辣椒品種性狀的綜合得分及其排序（表5），F(xiàn)值越大，表明該品種品質(zhì)性狀的綜合性狀越好。其中，編號14（H2143）F值為77.10，排名第1；編號35（珠農(nóng)38 號）值為68.37，排名第2；編號3（紅海）F值為68.30，排名第3；編號19（泰美簇生9號）的F值21.87，排名最后；40 個品種的排名依次為14、35、3、16、1、17、34、4、11、28、33、20、2、40、5、26、18、7、22、27、30、9、24、36、39、12、8、25、37、38、10、29、32、23、6、31、13、15、21、19（編號對應(yīng)的品種見表1）。

表5 40 份辣椒主成分得分

2.5 辣椒品種聚類分析

采用離差平方和法，在歐氏距離為728 處，可以將40 個辣椒品種分為4 大類（圖1）。第一類包括H2143、珠農(nóng)38 號、314 朝天椒、白指天椒這4 個品種，編號分別是14、35、1、34，特征是植株高，株幅大，單株果數(shù)多，果實小，干鮮比大，粗纖維含量高，辣椒素含量較高。第二類包括7 個品種，編號分別是4、16、9、12、26、18、33，特征是株高、株幅中等，可溶性糖含量較高，其他性狀均處于中等水平。第三類包括20 個品種，編號分別是2、5、17、20、3、11、28、6、7、8、22、25、36、10、21、24、13、29、23、30，特征是株高、株幅中等，辣椒素含量高，其他性狀均處于中等水平。第四類包括泰美簇生9 號、H10 等在內(nèi)的9 個品種，編號分別是15、19、37、38、27、39、31、32、40，特征是株高、株幅小，單果質(zhì)量大，果橫徑大，果肉厚，干鮮比小，辣度低，粗纖維含量低。

圖1 辣椒品種的聚類分析樹狀圖

3 討論與結(jié)論

筆者對來自全國的40 個朝天椒品種進行了綜合評價，為朝天椒的規(guī)模化種植奠定基礎(chǔ)。從研究結(jié)果可以看出，40 份朝天椒品種在各性狀上表現(xiàn)出了不同程度的多樣性，14 個性狀變異系數(shù)大小順序為單果質(zhì)量>單株果數(shù)>二氫辣椒素含量>果橫徑>辣椒素含量>株幅>果肉厚度>株高>果長>可溶性糖含量>始花節(jié)位>粗纖維含量>干鮮比>蛋白質(zhì)含量，表明在同一栽培種植條件和材料數(shù)量較多的情況下，表現(xiàn)出了品種間的遺傳多樣性。其中單果質(zhì)量的變異系數(shù)最大，果實性狀表現(xiàn)出較大的差異，張秀榮等[17]的研究也表明，產(chǎn)量和單果質(zhì)量變異較大，具有豐富的遺傳信息和選擇潛力。

相關(guān)分析結(jié)果表明，涉及的14 個性狀，91 對性狀形成相關(guān)關(guān)系，有35 對性狀的相關(guān)系數(shù)達到顯著水平，說明大部分性狀間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，所以在育種實踐中不能單純只考慮某個性狀，應(yīng)該綜合考慮評價品種的性狀。主成分分析是用少數(shù)的幾個綜合指標(biāo)來代替多個主要農(nóng)藝指標(biāo)，以期反映樣品的基本信息，達到降維的目的[18]。因子分析用于綜合評價的優(yōu)點在于，因子之間不相關(guān)，每個因子中能反映變量之間的關(guān)系，有助于更客觀地描述多個變量對樣品的聯(lián)系性影響，因子方差貢獻率生成的信息量權(quán)數(shù)，比人為確定權(quán)數(shù)工作量少些，有助于保證客觀性[19]。筆者通過對14 個性狀數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，提取出5 個主成分因子。根據(jù)各主成分性狀的特征向量，可分別將其稱為反映果實性狀的因子、反映株幅和品質(zhì)的因子、反映高度和辣度的因子、反映果實長度的因子、反映干椒性狀的因子，5 個主成分因子累計方差貢獻率達79.74%，說明這些性狀展現(xiàn)了辣椒品種的諸多方面特征，不僅歸納為一個或幾個育種目標(biāo)，表明育種的方向可以更加多元化。編號14 品種H2143 的綜合評價得分77.10，其14 個性狀的綜合表現(xiàn)最好；編號35 品種珠農(nóng)38 號的綜合評價得分68.37，其14 個性狀的綜合表現(xiàn)較好；編號19 品種泰美簇生9 號的綜合評價得分21.87，其14 個性狀的綜合表現(xiàn)較差。裴紅霞等[20]研究表明特征向量值為正且數(shù)值較大的有果肩形狀、單果質(zhì)量、果橫徑，主要與果實有關(guān)，主成分分析從另一個角度說明了果實性狀的重要性，筆者的研究結(jié)果與其部分結(jié)果一致。

步洪鳳等[21]通過對26 份辣椒研究發(fā)現(xiàn)果實形狀和產(chǎn)量是影響聚類分類結(jié)果的最重要因素。夏碧波等[22]對30 份辣椒資源按照不同的歐式距離聚類分為2 類和3 類。筆者采用聚類分析將40 份辣椒劃分為4 個不同類型，性狀相近的聚為一類，各個類群具有一定的形態(tài)學(xué)特征，克服了僅以個別性狀進行直觀、經(jīng)驗性分類的弊端。通過聚類分析，明確了辣椒品種的不同類型，第一類既適合做干椒亦可以做鮮椒，具有植株高度高、株幅大、單株果數(shù)多、果實小、干鮮比大、粗纖維含量高的特點，包括H2143、珠農(nóng)38 號、314 朝天椒、白指天椒這4 個品種。第二類是普通朝天椒類型，株高、株幅中等，可溶性糖含量最高，其他性狀均處于中等水平，包括勝紅92、江寶勁霸等7 個品種。第三類是辣椒素專用類型，具有株高、株幅中等以及辣椒素含量高的特點，其他性狀均處于中等水平，可以作為專用型辣椒材料利用，包括川椒485、CH023 等20 個品種。第四類是大果類型，具有株高和株幅最小、單果質(zhì)量大、果長度大、果橫徑最大、果肉最厚、干鮮比小、辣度低、粗纖維含量低的特點，有泰美簇生9號、H10 等9 個品種。聚類分析結(jié)果與主成分分析結(jié)果部分重疊，多種分析方法結(jié)合能夠更全面地對品種性狀進行綜合評價。

綜上，H2143、珠農(nóng)38 號、紅海、江寶勁霸、314朝天椒、楚龍182、白指天椒這7 個品種綜合表現(xiàn)良好，可以進一步試種研究，筆者的研究結(jié)果為進一步在河南地區(qū)開發(fā)、推廣朝天椒新品種提供了參考。