基于因子分析和聚類分析的紅花龍膽種子質量評價

劉龍江, 吳之坤, 任得強, 周雅雪, 薛 娟, 魏升華

(1.貴州中醫藥大學, 貴陽 550025; 2.貴州健興藥業有限公司, 貴陽 550001)

紅花龍膽(GentianarhodanthaFranch.ex Hemsl)為龍膽科龍膽屬多年生草本植物,又名小龍膽草、青魚膽草、雪里梅、鳳凰花、星秀花、血龍膽、九月花等,主要分布于四川、貴州、云南等省[1]。紅花龍膽為特色苗族藥材,在治療濕熱黃疸、小便不利、肺熱咳嗽等方面具有顯著療效[2]。以紅花龍膽為原料的具有苗族特色的止咳、平喘民族中成藥肺力咳膠囊/合劑等廣泛用于呼吸系統多種病癥的綜合治療,市場口碑良好,市場需求量逐年攀升[3-5]。紅花龍膽野生藥材資源日趨匱乏,紅花龍膽人工種植技術亟待解決。目前紅花龍膽人工種植研究所用種子還是以中間商收購的野生種子為主,種子質量差異較大,遺傳背景不清,易受病蟲害侵擾,嚴重阻礙了紅花龍膽人工種植研究的進展。因此,開展紅花龍膽種子質量品質評價研究很有必要,但目前尚無對紅花龍膽種子質量品質評價方面的報道。通過主成分分析的方法對川黨參、川白芷、棉花、知母、鷹嘴豆、黃芩等[6-11]進行了種子質量評價的研究,因子分析是主成分分析的推廣和擴展,利于實際意義的解釋[12]。本研究先對30個不同種源的紅花龍膽種子質量品質指標進行測定,對測定結果進行描述性統計分析,并運用因子分析和系統聚類分析,對不同種源紅花龍膽種子質量進行綜合評價,為篩選適宜紅花龍膽人工種植的優質種子提供參考。

1 材料及方法

1.1 材料來源

2021年12月開始對紅花龍膽野生種質資源進行調查并采集標本及自然成熟種莢,植物標本經貴州中醫藥大學魏升華教授鑒定為紅花龍膽,共采集了17個產地的30個種源的紅花龍膽種子,詳見表1。

表1 供試材料來源Table 1 Sources of tested materials

1.2 測定指標及方法

對供試材料的9個種子品質性狀進行測定,其中種莢長寬徑、種子長寬徑用電子游標卡尺測量,千粒重及種子實驗參照《農作物種子檢驗規程》[13]進行測定,結合上述數量關系,對種子的大小和品質進行量化。

1.3 數據處理

采用Excel軟件統計數據,利用IBM SPSS Statistics 26.0軟件對紅花龍膽種莢長徑、種莢寬徑、種子長徑、種子寬徑、千粒重、發芽率、發芽勢、發芽指數和發芽天數等進行描述性統計分析、相關性分析、因子分析、聚類分析。

2 結果與分析

2.1 描述性統計分析

由表2和表3可以看出,30個種源中,C4的種莢長徑、種莢寬徑、種子長徑、種子寬徑、千粒重、發芽率的均值最大,分別為20.88 mm、4.09 mm、1.56 mm、1.25 mm、0.175 g、98.75%;C5的發芽勢、發芽指數的均值最大,分別為96%,42.30;C22的發芽天數的均值最短(8 d);C29的種莢長徑的均值最小(15.58 mm);C19的種莢寬徑的均值最小,為2.59 mm;C16的種子長徑、種子寬徑的均值最小,分別為1.08 mm、0.83 mm;C19的千粒重的均值最小,為0.092 g;C30的發芽率、發芽勢、發芽指數、發芽天數的均值最差,分別為10%,3%,1.02,18.5 d。

表2 不同種源紅花龍膽種子特性Table 2 Seed characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

表3 不同種源紅花龍膽種子萌發特性Table 3 Seed germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

2.2 相關性分析

對紅花龍膽種子質量各指標進行正態性檢驗,滿足正態性,進而進行相關性分析。結果(表4)表明,種莢寬徑與種子長徑、種子寬徑和千粒重呈正相關,相關系數分別為0.710,0.806,0.668,差異達極顯著水平;種子長徑與種子寬徑、千粒重呈正相關,相關系數分別為0.858,0.666,差異達極顯著水平;種子寬徑與千粒重呈正相關,相關系數為0.520,差異達極顯著水平;發芽率與發芽勢、發芽指數呈正相關,相關系數分別為0.803,0.718,差異達極顯著水平;發芽率與發芽天數呈負相關,相關系數為-0.548,差異達極顯著水平;發芽勢與發芽指數呈正相關,相關系數為0.938,差異達極顯著水平;發芽勢與發芽天數呈負相關,相關系數為-0.740,差異達極顯著水平;發芽指數與發芽天數呈負相關,相關系數為-0.666,差異達極顯著水平。

表4 紅花龍膽種子特征與發芽特性的相關性Table 4 Correlation between seed characteristics and germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl

2.3 因子分析及綜合評價

2.3.1因子分析

剔除與其他指標存在弱相關的種莢長徑,用紅花龍膽種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、發芽天數、千粒重、種子長徑、種子寬徑和種莢寬徑等8個指標進行因子分析(KMO統計量值為0.603>0.6;巴特利特球形檢驗結果為p<0.01,滿足進行因子分析的條件)。由表5可知,前2個主因子的累積貢獻率為79.632%,表明前2個主因子能解釋紅花龍膽種子質量性狀總體79.632%的變異,可用前2個主因子對其進行綜合評價。第1主因子的特征值為3.243,貢獻率為40.535%,決定第1主因子的主要是發芽率、發芽勢、發芽指數及發芽天數,稱為發芽特性因子,第2主因子的特征值為3.128,貢獻率為39.097%,起決定作用的是千粒重、種子長徑、種子寬徑及種莢寬徑,稱之為種子特性因子。

表5 種子性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis for seed traits

2.3.2綜合評價

借助回歸法對特征根和旋轉后的因子載荷系數進行計算,以估計2個主因子在不同種源紅花龍膽種子質量的因子得分,以權衡每個主因子在每個種源種子質量上的位置和分量,以便直觀地判斷種子質量的優劣。由表6可知,C5的F1(發芽特性因子)最高(2.2),C30的F1(發芽特性因子)最低(-2.817),C4的F2(種子特性因子)最高(2.688),C19的F2最低(-1.87)。以各主因子的貢獻率為權重進行線性加權求和,可得到各種源紅花龍膽種子質量的綜合得分,表達式F=40.535/79.632×F1+39.097/79.632×F2,由表6可知,綜合得分排名C4最高(1.772),C30最低(-1.437)。

表6 不同種源紅花龍膽種子質量的綜合得分Table 6 Comprehensive score of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seed quality from different provenances

2.4 系統聚類分析

利用F1和F2特性因子得分對供試材料進行系統聚類分析,當閾值處于8時可將30個種源分成四類。從圖1可以看出,第Ⅰ類為綜合得分最高的的種源、種子特性得分最高、發芽特性得分一般,由C2、C4樣品組成;第Ⅱ類為綜合得分較高的的種源,發芽特性得分最高、種子特性得分一般,由C5、C13、C21和C22樣品組成;第Ⅲ類為綜合得分一般的種源,發芽特性得分一般,種子特性得分一般,由C1、C3、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29樣品組成;第Ⅳ類綜合得分最差,發芽特性得分最差,種子特性得分最差,由C30單獨組成。

圖1 紅花龍膽種子2項指標系統聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 2 index systems of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seeds

3 結論與討論

3.1 單一品質性狀評價紅花龍膽種子質量

種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、發芽天數、單莢種子數均值、千粒重、種子長度、種子寬度、種莢長度及種莢寬度等可作為評價種子質量的指標,通過平均數加減標準差法比較種子質量,指標不同種子質量就不同[14-15]。本研究結果表明,以種莢長徑、種莢寬徑、種子長徑、種子寬徑、千粒重、發芽率評價種子質量,C4最好,而以發芽勢、發芽指數進行評價則C5最大,以發芽天數衡量則C22最好。

3.2 紅花龍膽種子質量綜合評價

本試驗中,紅花龍膽種子特性指標和發芽特性指標之間相關性弱,優良的種子既要發育充實、大而重,所含養分較多,又要較高的發芽勢和發芽率。因此,單一指標無法準確對紅花龍膽的種子質量進行全面評價,必須應用多個指標進行質量綜合評價,這與劉鈺萍等[16]和張帆等[17]認為的基于主成分分析和聚類分析的綜合評價與單一指標評價方法相比,更適合判斷事物內在本質,更為科學、可行。性狀之間存在復雜的關聯性,因此導致性狀間提供的信息出現相互重合,會對綜合評價造成干擾[18-20]。本研究所測定的 9 個紅花龍膽種子質量指標并不是完全獨立的,除了種莢長徑外,各指標間存在極顯著的相關性。在多指標分析中,指標的個數多,又有相互關聯,分析工作比較困難,多元統計的主成分分析是指在不損失或很少損失原有信息的前提下,將原來個數較多而且彼此相關的指標轉換為新的個數少而彼此獨立或不相關的綜合指標,從而簡化多指標分析,利用主成分進行綜合評價是一種有效的方法[21-22]。本研究利用比主成分分析更好解釋的因子分析,在剔除與其他指標相關性弱的種莢長徑指標后,最終將確定8個指標轉化為彼此不相關的2個主因子,即種子特性因子、發芽特性因子,累積貢獻率達79.632%,對2個主因子進行加權計算綜合得分后進行綜合評價。在這個基礎上進行系統聚類分析,系統聚類分析將30個種源分為四大類:第Ⅰ類種子綜合評價得分和種子特性得分最高,可作為發展紅花龍膽人工種植的首選種子來源,但該類群發芽特性不是最好的,可能和其自然成熟度有關,可開展提升其發芽特性的研究;第Ⅱ類發芽特性得分最高,可作為紅花龍膽人工種植的備選種子來源;第Ⅲ類和第Ⅳ類種子,綜合評價得分、種子特性得分、發芽特性得分均一般,但是其抗逆性、結實率、藥材質量等其他指標未知,可對其進行進一步研究。