文昌市椰子資源果實表型和品質綜合評價

鄭奮,李智虓,李梓華,韓學倩,黃允,柯亞麗,陳麗,周韜*

1(文昌市林業科學研究所,海南 文昌,571321)2(海南大學,熱帶特色林木花卉遺傳與種質創新教育部重點實驗室,海南省熱帶特色花木資源生物學重點實驗室,海南五指山森林生態系統國家定位觀測研究站,海南 海口,570228)3(海南大學 林學院,海南 海口,570228)

種質資源是種業發展的物質基礎,是一類重要的戰略資源。2022年2月22日,新華社發布中央一號文件《中共中央、國務院關于做好2022年全面推進鄉村振興重點工作的意見》,其中明確指出“大力推進種源等農業關鍵核心技術攻關。全面實施種業振興行動方案。加快推進農業種質資源普查收集,強化精準鑒定評價。”開展種質資源的收集和評價研究,對于推進優良品種選育和種子品質提升工作具有重要的意義。

椰子(CocosnuciferaL.)是棕櫚科椰子屬的常綠喬木,廣泛分布于熱帶地區,用途十分廣泛。椰子作為海南熱帶農業發展的“三棵樹”(椰子、橡膠和檳榔)之一,具有重要的經濟價值和社會價值,也是海南的文化標志。根據2021年海南統計年鑒,全省椰子種植面積為35 695 hm2,產量為2.1億個[1]。椰子的相關產業鏈長,從業人口多,培育出椰樹、春光和南國等一批知名企業。

但海南的椰子生產存在著產量低、品質差和缺乏新品種等難題,嚴重制約著產業發展。本地椰子產量無法滿足需求,每年需從國外進口椰子20億個。海南栽培的椰子可分為高種椰子、矮種椰子和雜種椰子3個類型,從種植面積上看高種椰子占絕大部分,矮種椰子和雜種椰子占比較低。我國椰子育種工作者引進了東南亞矮種椰子資源,采用混系連續選擇與定向跟蹤篩選等方法,陸續選育出文椰2號、3號、4號、5號和6號等矮種椰子品種,具有結果早、口感好等優點[2-6]。但是矮種椰子的耐寒能力弱,低溫天氣時會受到嚴重影響。2008年海南出現低溫寒害天氣,調查發現本地高種椰子死亡率為0.33%,而矮種椰子的死亡率高達6%～6.67%,落裂果率也高于本地高種椰子[7-8]。選育高種椰子優良品種,是提高椰子產量,實現椰子產業健康可持續發展的重要保障。

椰子遺傳資源的收集利用是品種選育和種質改良的基礎。從20世紀80年代起,我國開始了椰子種質資源的收集工作,組織過多次考察活動,收集了超過200份的資源,發現了一些特色椰子資源如紅色中果皮、多胚和雙層花苞等[9-11]。文昌市是海南椰子的主要種植區,占全省椰子種植總面積的43.5%,種植歷史悠久,椰子資源豐富多樣。2021年文昌市林業科學研究所和海南大學開展了文昌高種椰子資源的調查,篩選出一批產量高和長勢優良的椰子資源。在前期工作的基礎上,本研究收集了62份椰子資源的果實進行表型和品質綜合評價,期望為椰子資源的評價和品種選育工作提供基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

2021年7月～11月,對文昌市所轄鄉鎮進行了高種椰子資源調查(表1)。對于產量高或者有優良特性的椰子資源,調查生長性狀并拍照記錄。從調查結果中選擇62份椰子種質資源,每棵樹收集9月齡左右的果實5個,在實驗室中進行果實指標測定。

表1 文昌市椰子種質資源信息Table 1 Information of Wenchang coconut germplasm resources

1.2 儀器與設備

YP6001N電子天平,上海精科天美科學儀器有限公司;DL91300數顯游標卡尺,得力集團有限公司;雷磁PHS-3C臺式酸度計,上海儀電科學儀器股份有限公司;LB32T手持式折光儀,廣州市速為電子科技有限公司。

1.3 果實表型和品質指標測定

參照NY/T 1810—2009《椰子 種質資源描述規范》進行描述和記錄果實的顏色、形狀;使用電子天平稱量果實質量;使用數顯游標卡尺測量果實橫徑和縱徑;使用卷尺測量果實的橫周長和縱周長。果形指數的計算如公式(1)所示:

(1)

使用臺式酸度計測量椰子水pH值;使用手持式折光儀測量椰子水的可溶性固形物含量;采用GB 12456—2021《食品安全國家標準 食品中總酸的測定》的酸堿指示劑滴定法測定椰子水總酸度;采用GB 5009.86—2016《食品安全國家標準 食品中抗壞血酸的測定》中的2, 6-二氯酚靛酚滴定法測量椰子水的維生素C含量;采用考馬斯亮藍法測定椰子水的蛋白質含量;采用茚三酮比色法測量椰子水的氨基酸含量[12]。

固酸比的計算如公式(2)所示:

(2)

椰子水口感、椰子水香氣、椰肉口感和椰肉香氣采用主觀評分:由5人組成評價小組品嘗,分別進行果實風味評分,10分最佳,1分最差,計算平均分值。

1.4 數據處理

數據采用Excel 2010和SPSS 22.0處理。相關性分析采用Origin 2022軟件作圖。

主成分分析(principal component analysis,PCA):使用SPSS軟件對椰子的表型數據進行主成分分析。具體步驟為:a)對數據進行標準化處理;b)計算特征值、方差貢獻率、累計貢獻率和特征向量;c)計算主成分分數,計算各資源的綜合得分。

聚類分析:使用Origin 2022對椰子表型數據進行層次聚類分析。聚類方法選用類平均法,距離設為歐式距離,使用Polar heatmap插件完成熱力圖和聚類圖繪制。

2 結果與分析

2.1 椰子果實表型和品質性狀的統計特征值分析

對椰子果實的顏色、形狀和重量等24項指標進行了統計分析[圖1以及附表1、附表2(https://doi.org/10.13995/j.cnki.11-1802/ts.032452)]。全部指標的變異系數為6.49%～37.56%,各指標間存在明顯的差異。其中蛋白質含量的變異系數最大,達37.56%,其次為氨基酸含量,為33.99%。一些主要農藝性狀如果實重量、椰子水重量和椰肉重量等的變異系數分別為32.97%、26.00%和22.22%,存在豐富的遺傳變異。椰子水口感、椰子水香氣、椰肉口感、椰肉香氣、可溶性固形物含量和固酸比等風味指標的變異系數為13.56%～21.88%,存在著一定的變異。果實的寬度、高度、橫周長、縱周長和pH值的變異系數均低于10%,表明這些性狀在不同個體間差異較小。

附表1 椰子資源果實的表型性狀Supplementary table 1 Phenotypic traits of coconut germplasm fruit

附表2 椰子資源果實的品質性狀Supplementary table 2 Fruit quality traits of coconut germplasm fruit

a-椰子果實顏色;b-椰子果實外形圖1 椰子果實顏色和外形Fig.1 Color and shape of coconut fruit

2.2 椰子果實表型和品質性狀的相關性分析

對62份資源的22個性狀進行Pearson相關性分析,結果表明,有28對指標的相關性達到了顯著水平(P<0.05),101對指標的相關性達到了極顯著水平(P<0.01)(圖2)。

圖2 椰子果實表型和品質性狀的相關性分析Fig.2 Correlation analysis between fruit phenotype and quality traits of coconut germplasm注:*表示P<0.01。

其中果實重量與果實的寬度、高度、椰子水含量、椰肉厚、椰子水香氣、椰肉口感、可溶性固形物和蛋白質含量等16項指標均呈現極顯著相關,表現為椰子越重,則椰子水越多、香氣越佳,同時椰肉更薄、口感更佳,但椰子重量與椰子水口感并無顯著相關。

椰子水重與13項指標呈現極顯著相關,具體表現為椰子水越多,則椰肉越薄,椰子水香氣和椰肉口感越好,但蛋白質含量會減少。

椰肉厚度與椰子重、椰子水口感、椰肉口感、可溶性固形物含量和蛋白質含量等9項指標呈現極顯著相關,表現為椰肉越厚,則椰子水含量越少,椰子水口感和椰肉口感變差,可溶性固形物含量降低,而蛋白質含量增加。

椰子水口感與果實外形各項指標沒有顯著相關,與椰肉厚度和椰肉重為極顯著負相關,與椰子水香氣、可溶性固形物和總酸度為極顯著正相關。

2.3 椰子果實表型和品質性狀的PCA

對各項指標進行PCA(表2)。前7個主成分的方差貢獻率為25.305%、14.786%、11.320%、11.001%、6.970%、6.182%和5.280%,累積解釋總方差的80.845%,因此選擇前7個主成分作為椰子果實的綜合評價指標。第一主成分中重量、寬度、高度、橫周長、縱周長和椰子水重的特征向量較大,為0.614～0.884,主要代表了果實的大小因子。第二主成分中椰肉厚、椰肉重的特征向量負值較大,pH和可溶性固形物的特征向量正值較大,分別為-0.689、-0.595、0.717和0.817,代表了果實的成熟程度因子。第三主成分中核果高和核果寬的特征向量值較大,為0.557和0.602,反映了核果的形狀因子。第四主成分中椰肉口感和椰肉香氣特征向量值較大,為0.778和0.743,代表了果實的椰肉風味因子。第五主成分中,果形指數的特征向量值最大,為0.752,代表了果實的果形指數因子。第六主成分中,維生素C、蛋白質和氨基酸含量的特征向量值較大,分別為0.472、0.405和0.526,代表了果實的營養因子。第七主成分中,椰子水口感和椰子水香氣的特征向量值較大,分別為0.529和0.534,代表了果實的椰子水風味因子。

表2 椰子果實性狀的主成分分析Table 2 Principal component analysis of coconut germplasm fruit traits

2.4 椰子資源果實綜合評價

根據公式(3)計算主成分特征向量系數,并構建椰子果實性狀的成分載荷矩陣(表3):

表3 椰子果實性狀的成分載荷矩陣Table 3 Component loading matrix of coconut germplasm fruit traits

(3)

以每個主成分所對應的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權重計算綜合評價值F。得到椰子種質資源綜合得分公式(4):

F=0.313 0F1+0.182 9F2+0.140 0F3+0.136 1F4+0.086 2F5+0.076 5F6+0.076 3F7

(4)

最終計算獲得文昌市高種椰子資源果實綜合得分和排序(表4)。其中DJ150、PL163、WC105、DG133、CX032、DJ014和DG135的綜合得分F>1,排名靠前,在果實大小、椰子水含量、口感和營養成分各方面具有較為優異的表現。

表4 文昌市高種椰子資源果實的主成分得分和排序Table 4 Principal component factor scores and ranking of coconut germplasm fruit

2.5 聚類分析

基于22項表型和品質數據,對不同的椰子資源進行層次聚類分析(圖3)。第一類為WC104,表現為總酸度高,椰肉口感香氣差,維生素含量低,屬于總體品質較差的椰子類型。第二類為PQ128,表現為核果較大,椰肉較厚較重,蛋白質含量高,其他方面指標較低,屬于過成熟的椰子類型。第三類為WJ108和CX034,表現為椰子果大,椰子水多,但椰子水風味和營養成分都較差,屬于果實品質不佳的椰子類型。第四類為HW051、PL163、DJ150、WC105、CX032和DJ014,表現為椰肉含量少、椰子水含量多、口感好并且營養成分豐富,屬于綜合表現最優的椰子類型。第五類為剩余的52份椰子資源,總體指標比較平均,屬于品質普通的椰子類型。

圖3 椰子資源的聚類分析Fig.3 Hierarchical analysis of coconut germplasm

對聚類分析和主成分分析獲得的結果進行比較。聚類分析中綜合表現最優的是第四類型,該類群中包含的椰子與主成分分析中排名前列的椰子高度一致,DJ150、PL163、WC105、CX032、DJ014和HW051在主成分綜合評分結果中分別排名第1、2、3、5、6和11位。兩類方法都可以準確地篩選出優質的椰子資源,結果可以互相驗證。

為了進一步簡化椰子的果實品質評價因子,對11項椰子品質指標進行了聚類分析(圖4)。在距離為0.7時,果實品質指標可以聚為5類。第一類為固酸比。第二類為維生素C。第三類為氨基酸。第四類包括椰肉口感和椰肉香氣。第五類包括了蛋白質、總酸度、可溶性固形物、pH、椰子水香氣和椰子水口感。因為椰肉口感和椰肉香氣之間為極顯著正相關,因此椰肉口感可以作為第四類因子的代表。而可溶性固形物與椰子水口感、椰子水香氣、pH和總酸度4個指標均為極顯著正相關,因此可以將可溶性固形物含量作為第五類因子的代表。最終可以將椰子11項果實品質評價因子簡化為5個,分別是固酸比、維生素C、氨基酸、椰肉口感和可溶性固形物,可以用于快速鑒定椰子的果實品質。

圖4 椰子品質指標的聚類分析Fig.4 Cluster analysis of coconut fruit quality characters

3 結論與討論

3.1 文昌高種椰子資源果實性狀的遺傳多樣性

椰子果實的表型和品質性狀受到遺傳因素和外界環境的共同影響,通過對果實指標的測定和統計,能夠有效地發掘和利用優良的椰子種質資源,推動育種工作的開展。孫程旭等[13]以13份椰子資源為材料,測定了果形指數、單果重和果實風味等12項指標,結果發現果形指數和核形指數的變化較大,通過相關性分析與聚類分析,椰子的評測因子可簡化為果重、蒂孔距、可溶性固形物、脂肪含量和固酸比這5項指標。曹紅星等[14]以6份越南椰子、文椰和高種椰子為材料,對果重、果形指數、可溶性固形物等10個品質指標進行了分析,結果表明品質指標變化較大,果實風味與可溶性固形物、固酸比之間呈現極顯著正相關,聚類分析將果實評價指標簡化為單果重、果實風味或可溶性固形物、脂肪含量和固酸比。本研究中對62份椰子資源果實的22項指標進行統計和分析,結果表明果實重量、椰子水重量和椰肉重量等重要農藝性狀都存在明顯差異,變異系數分別為32.97%、26.00%和22.22%。同時椰子水口感、椰子水香氣、椰肉口感、椰肉香氣、可溶性固形物含量和固酸比等果實風味指標的變異系數為13.56%～21.88%。這些遺傳改良的目標性狀都存在豐富遺傳變異,具有優異的育種潛力。對果實品質指標進行聚類分析,結果顯示可以將椰子果實品質評價因子簡化為5個指標,分別是固酸比、維生素C、氨基酸、椰肉口感和可溶性固形物。本研究結果與孫程旭等[13]和曹紅星等[14]的研究結論相比,因為測定具體指標不同,所以得出的簡化評測因子有部分差異。但固酸比和可溶性固形物在3項研究中都被選擇作為評價因子,可被認為是椰子簡化評價體系中共同的關鍵因子。

相關性分析結果顯示,果實的22項指標之間存在大量的顯著或極顯著的相關性,采用主成分分析可以取得良好的降維效果。椰子水在椰子較嫩、椰肉較薄的時候口感較好,同時可溶性固形物含量同樣顯著地影響了椰子水的口感和風味。但無法單獨通過果實外形指標來判斷椰子水口感的好壞。另外,椰子水的可溶性固形物含量與椰子水口感和香氣均存在極顯著正相關。椰子水中的可溶性固形物以糖分為主,有研究表明糖分含量是影響椰子果實脫落的重要因子[15-16]。因此,可溶性固形物含量可能會同時影響果實風味和果實產量2個方面,是一個值得關注的育種選擇指標。在椰子育種工作中,應選擇可溶性固形物含量高的育種親本,提高后代的果實產量和品質。

3.2 主成分分析法和聚類分析

在果實評價方面,主成分分析方法是一種有效簡化評價體系的方法。這種方法起到了數據降維的作用,可以全面客觀地評價果實的綜合品質。主成分分析法已經被廣泛地應用到果實綜合評價的研究中。江錫兵等[17]應用主成分分析法對板栗的栽培品種的果實表型和品質性狀進行了綜合評價,對30個品種的20項指標進行了主成分分析,篩選出了烏殼栗、淺刺大板栗等6個適合于長江中下游地區栽培的板栗品種,與灰色關聯法的分析結果基本一致。喻華平等[18]以23份黃皮資源果實為材料,測定了單果重、果實縱徑和果實橫徑等11項指標,通過主成分分析提取出了4個具有代表性的主成分,通過計算篩選出綜合評價得分最高的資源A3。主成分分析法在樹番茄[19]和木通屬果實[20]的綜合評價中也取得了有價值的研究成果。本研究中,對22個指標進行了測定和主成分分析,獲得了7項主成分因子,累積方差貢獻率達80.845%,反映了果實的主要信息。其中第一主成分代表了果實的大小因子,第二主成分代表了果實的成熟程度因子,第三主成分代表了核果的形狀因子,第四主成分代表了果實的椰肉風味因子,第五主成分中代表了果實的果形指數因子,第六主成分中代表了果實的營養因子,第七主成分中代表了果實的椰子水風味因子。7個主成分涵蓋了果實品質的各主要方面,能夠反映椰子果實的整體信息,同時減少了關聯數據的干擾。通過計算綜合評分,DJ150、PL163、WC105、DG133、CX032、DJ014和DG135的綜合得分F>1,具有較好的綜合品質。通過聚類分析法篩選出綜合品質最優的第四類型椰子,同樣包含了DJ150、PL163、WC105、CX032和DJ014。通過2種方法獲得了高度一致的結果,驗證了主成分分析法和聚類分析法在椰子果實綜合評價中的有效性和準確性。綜合2種分析方法獲得的結果,篩選出DJ150、PL163、WC105、CX032和DJ014五份優良的種質資源,在果實表型和品質各方面都具有較為優異的表現,可以為椰子果實的綜合評價以及遺傳資源的篩選提供參考依據。