杜慶鑫 劉攀峰 魏艷秀 慶 軍 杜紅巖

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開(kāi)發(fā)中心，國(guó)家林業(yè)局杜仲工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003)

基于主成分與聚類(lèi)分析的杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

杜慶鑫 劉攀峰 魏艷秀 慶 軍 杜紅巖*

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開(kāi)發(fā)中心，國(guó)家林業(yè)局杜仲工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003)

為有效利用杜仲雄花資源，以193份杜仲種質(zhì)為試材，采用主成分分析和聚類(lèi)分析方法開(kāi)展了品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選和種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)研究。結(jié)果表明：含水率和氨基酸含量在不同種質(zhì)間變異系數(shù)較小，其它性狀變異系數(shù)較大。主成分分析顯示反映杜仲雄花品質(zhì)的17個(gè)性狀可用8個(gè)主成分來(lái)表示(累積貢獻(xiàn)率達(dá)85.777%)，篩選出雄蕊長(zhǎng)度、單株產(chǎn)量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率這8個(gè)性狀用于杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)。經(jīng)綜合評(píng)價(jià)，編號(hào)為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x、10497x的杜仲雄花品質(zhì)相對(duì)較好。對(duì)193份杜仲種質(zhì)進(jìn)行Q型聚類(lèi)，在遺傳距離7.0處可劃分為四類(lèi)，第Ⅲ類(lèi)群杜仲種質(zhì)雄花綜合性狀較好，與主成分分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，第Ⅱ類(lèi)群杜仲雄花8種活性成分含量均較高，第Ⅳ類(lèi)群杜仲雄花形態(tài)性狀表現(xiàn)也較好?？蔀槎胖倭挤N選育及雄花資源開(kāi)發(fā)利用提供參考依據(jù)。

杜仲；雄花；品質(zhì)；主成分分析；聚類(lèi)分析

杜仲(EucommiaulmoidesOliv.)為杜仲科(Eucommiaceae)杜仲屬(Eucommia)植物，別名思仙、思仲、扯絲皮、絲綿樹(shù)等，是我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種和天然藥食兩用植物[1～2]。杜仲雌雄異株，雄花簇生于當(dāng)年生枝條基部，產(chǎn)量高，易于采集[3～4]。杜仲雄花富含多種功能活性成分，主要有環(huán)烯醚萜類(lèi)(如京尼平苷酸、桃葉珊瑚苷和京尼平苷)、苯丙素類(lèi)(如綠原酸)、黃酮類(lèi)(如異槲皮苷和紫云英苷)以及氨基酸等，具有抗菌、抗腫瘤、降血壓血脂、保肝利膽、保護(hù)心腦血管等功效[5～6]。

杜仲雄花資源開(kāi)發(fā)利用具有廣闊的市場(chǎng)前景，目前杜仲雄花已被列為新食品原料，以杜仲雄花為原料開(kāi)發(fā)出的杜仲雄花茶、杜仲雄花酒、杜仲雄花功能飲料等產(chǎn)品含有多種生物活性物質(zhì)，具有良好的醫(yī)療保健功能，備受市場(chǎng)青睞[7～8]。我國(guó)擁有豐富的杜仲雄花資源，加大對(duì)杜仲雄花資源的開(kāi)發(fā)及良種選育可以更好地適應(yīng)市場(chǎng)的需求，因此，杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)就顯得尤為重要，與杜仲雄花品質(zhì)相關(guān)的性狀，既包括花徑、花高、鮮重、干重、雄蕊長(zhǎng)度等形態(tài)性狀，又包括雄花中的活性成分含量，如桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸、總黃酮、氨基酸等研究較多的活性成分，對(duì)這些性狀進(jìn)行研究有助于促進(jìn)杜仲雄花資源開(kāi)發(fā)利用及育種工作，同時(shí)對(duì)杜仲雄花相關(guān)產(chǎn)品品質(zhì)有著重要的應(yīng)用價(jià)值。

目前采用主成分分析和聚類(lèi)分析對(duì)果樹(shù)、蔬菜品質(zhì)評(píng)價(jià)因子篩選和品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)研究的報(bào)道較多。聶繼云等[9]采用主成分分析和聚類(lèi)分析確定了蘋(píng)果(Malusdomestica)代表性理化指標(biāo)，為蘋(píng)果品質(zhì)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。韓澤群等[10]采用主成分分析對(duì)加工番茄(LycopersiconesculentumMill.)進(jìn)行多性狀綜合評(píng)價(jià)，確定了評(píng)價(jià)加工番茄的5個(gè)主要指標(biāo)8個(gè)主要性狀。本研究通過(guò)對(duì)193份杜仲種質(zhì)雄花主要性狀進(jìn)行測(cè)定，采用主成分分析法和聚類(lèi)分析法對(duì)各性狀進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)，初步明確杜仲雄花品質(zhì)評(píng)價(jià)中的主要影響因子，并篩選出部分綜合品質(zhì)較高的杜仲種質(zhì)，為杜仲良種選育及雄花資源開(kāi)發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

供試杜仲材料193份，均采自中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院經(jīng)濟(jì)林研究開(kāi)發(fā)中心原陽(yáng)試驗(yàn)基地(113°36′E，34°55′N(xiāo))杜仲基因庫(kù)，基因庫(kù)采用6株小區(qū)，定植行間距為3 m×3 m。每份試驗(yàn)材料選取6株樹(shù)，每株樹(shù)均于盛花期分別在樹(shù)冠中部的東、西、南、北4個(gè)方向采摘雄花各約10簇，低溫冷藏帶回實(shí)驗(yàn)，保存?zhèn)溆谩?/p>

蘆丁、桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、京尼平苷、綠原酸、異槲皮苷、紫云英苷對(duì)照品上海源葉生物科技有限公司；17種氨基酸標(biāo)準(zhǔn)品標(biāo)準(zhǔn)品美國(guó)Sigma公司；甲醇(色譜純)天津四友精細(xì)化工試劑廠(chǎng)；所有分離用有機(jī)溶劑均為國(guó)產(chǎn)分析純。

1.2 性狀選取及測(cè)定方法

形態(tài)性狀測(cè)定隨機(jī)選取10簇雄花，花徑、花高、雄蕊長(zhǎng)度用游標(biāo)卡尺測(cè)定，精確到0.01 mm；鮮重、干重(均為單花質(zhì)量)，用電子天平稱(chēng)取，精確到0.001 g，含水率%=(鮮重-干重)×100/鮮重；雄蕊數(shù)直接計(jì)數(shù)，千蕊重=20枚雄蕊重×50，其中20枚雄蕊重用電子天平稱(chēng)取，精確到0.001 g，單株產(chǎn)量=開(kāi)花枝數(shù)×樣枝平均質(zhì)量，統(tǒng)計(jì)開(kāi)花枝數(shù)，選取1個(gè)代表開(kāi)花平均狀況主枝，統(tǒng)計(jì)雄花產(chǎn)量。總黃酮含量測(cè)定采用分光光度法[11]，氨基酸含量測(cè)定采用全自動(dòng)氨基酸分析儀[12]，桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸、京尼平苷、異槲皮苷、紫云英苷等6種活性成分含量測(cè)定采用改進(jìn)HPLC法[13]，8種活性成分含量的測(cè)定結(jié)果均為3次重復(fù)的平均值。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS20.0對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。主成分分析以累積方差貢獻(xiàn)率≥85%為提取主成分的標(biāo)準(zhǔn)[14]，聚類(lèi)分析采用離差平方和法。杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)方法為：以各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重，各主成分得分與相應(yīng)權(quán)重進(jìn)行線(xiàn)性加權(quán)求和得到綜合評(píng)價(jià)函數(shù)[15]。主要公式如下：

T=∑Ti×βi

(1)

式中：i=1～8，T為杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)得分，Ti為各主成分得分值，βi為各主成分對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率。

Ti=∑Zi×Xj

(2)

式中：i=1～8，j=1～17，Z為主成分向量值，X為各主成分對(duì)應(yīng)的性狀。

2 結(jié)果與分析

2.1 杜仲雄花主要性狀的測(cè)定分析

供試杜仲雄花17項(xiàng)主要性狀特征見(jiàn)表1。193份杜仲雄花主要性狀平均變異系數(shù)為43.34%，其中，京尼平苷含量變異系數(shù)最大，為112%，紫云英苷含量、京尼平苷酸含量的變異系數(shù)次之，分別為89.56%和88.60%；含水率和氨基酸含量變異系數(shù)最小，分別為5.18%和12.52%。結(jié)果表明，不同種質(zhì)間杜仲雄花主要性狀存在較大變異，表現(xiàn)出了不同程度的多樣性。

表1 杜仲雄花主要性狀的測(cè)定結(jié)果

2.2 杜仲雄花主要性狀的主成分分析

對(duì)193份杜仲雄花主要性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見(jiàn)表2。前8個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為85.777%，基本包含了杜仲雄花17個(gè)性狀的大部分信息。因此選取前8個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第1主成分貢獻(xiàn)率為30.221%，決定其大小的主要是鮮重、干重、單株產(chǎn)量、雄蕊數(shù)、花徑和花高；第2主成分貢獻(xiàn)率為15.441%，決定其大小的主要是雄蕊長(zhǎng)度、千蕊重和花高；第3主成分貢獻(xiàn)率為9.345%，決定其大小的主要是京尼平苷酸、桃葉珊瑚苷和京尼平苷含量；第4主成分貢獻(xiàn)率為7.841%，決定其大小的主要是紫云英苷和異槲皮苷含量；第5主成分貢獻(xiàn)率為7.069%，決定其大小的主要是含水率；第6主成分貢獻(xiàn)率為6.534%，決定其大小的主要是氨基酸含量；第7主成分貢獻(xiàn)率為5.128%，決定其大小的主要是總黃酮含量；第8主成分貢獻(xiàn)率為4.199%，決定其大小的主要是綠原酸含量。根據(jù)雄花性狀在各主成分中正系數(shù)的大小，確定單株產(chǎn)量、雄蕊長(zhǎng)度、京尼平苷酸、異槲皮苷、氨基酸、總黃酮、綠原酸含量以及含水率8個(gè)因子可用來(lái)綜合評(píng)價(jià)杜仲雄花品質(zhì)。

2.3 杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

經(jīng)主成分分析提取了8個(gè)主成分，計(jì)算193份杜仲資源雄花在各個(gè)主成分中的得分及綜合得分，并按照5%入選率確定8種類(lèi)型性狀優(yōu)良的杜仲雄花，即得分前9位的為品質(zhì)較好的雄花資源(表3)，綜合得分越高表明該杜仲雄花綜合品質(zhì)越高。由表3可知，193份材料中，編號(hào)為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花綜合得分較高，品質(zhì)相對(duì)較好。

2.4 杜仲雄花R型及Q型聚類(lèi)分析

對(duì)杜仲雄花各性狀進(jìn)行R型聚類(lèi)分析，聚為一類(lèi)的雄花性狀之間具有密切的相關(guān)或偏相關(guān)性，可選用1個(gè)性狀代表同一類(lèi)中的其它性狀；單為一類(lèi)的性狀則具有相對(duì)獨(dú)立性。結(jié)果顯示所有性狀在遺傳距離6.0處可劃分為8類(lèi)(圖1)，第1類(lèi)包括雄蕊長(zhǎng)度和千蕊重2個(gè)與雄蕊有關(guān)的性狀；第2類(lèi)包括鮮重、單株產(chǎn)量、花徑、花高、干重、雄蕊數(shù)等6個(gè)與雄花形態(tài)及產(chǎn)量有關(guān)的性狀；第3類(lèi)包括桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和京尼平苷等3個(gè)環(huán)烯醚萜類(lèi)化合物組分；第4類(lèi)包括綠原酸一個(gè)性狀；第5類(lèi)包括異槲皮苷和紫云英苷2個(gè)黃酮類(lèi)化合物組分；第6類(lèi)包括總黃酮一個(gè)性狀；第7類(lèi)包括氨基酸一個(gè)性狀；第8類(lèi)包括含水率一個(gè)性狀。這與主成分分析結(jié)果(表2)相一致。因此，17個(gè)性狀可由8個(gè)類(lèi)別中的性狀代表，即雄蕊長(zhǎng)度、單株產(chǎn)量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率8個(gè)性狀。

表28個(gè)主成分的特征向量、特征值、方差貢獻(xiàn)率及累積貢獻(xiàn)率

Table2Eigenvectors,eigenvalues,variancecontributionratesandcumulativecontributionratesofeightprincipalcomponents

表3 杜仲雄花主成分得分和綜合得分

圖1 杜仲雄花性狀的R型聚類(lèi)Fig.1 R-type cluster analysis of E.ulmoides male flower traits

對(duì)193份杜仲種質(zhì)進(jìn)行Q型聚類(lèi)分析，在遺傳距離7.0處可劃分為4個(gè)類(lèi)群(圖2)，各類(lèi)群杜仲雄花主要性狀特征見(jiàn)表4，4個(gè)類(lèi)群除含水率外，其它性狀均存在顯著差異。其中，第Ⅰ類(lèi)群包括90份材料，該類(lèi)群杜仲種質(zhì)雄花除氨基酸和總黃酮含量較高外，其它性狀值均較低，總體表現(xiàn)一般；第Ⅱ類(lèi)群包括53份材料，該類(lèi)群杜仲種質(zhì)雄花主要形態(tài)性狀值均較低，桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸、綠原酸和氨基酸含量在4各類(lèi)群中位居第二位，其它活性成分含量在4個(gè)類(lèi)群中均最高；第Ⅲ類(lèi)群包括4份材料，編號(hào)分別為11034x、10036x、11042x和10469x，該類(lèi)群杜仲種質(zhì)雄花主要形態(tài)性狀值均較高，除含水率和千蕊重外，其它形態(tài)性狀均顯著高于另外3個(gè)類(lèi)群，尤其是單株產(chǎn)量，達(dá)到了873.42g，活性成分含量以桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和綠原酸含量最高；第Ⅳ類(lèi)群包括46份材料，該類(lèi)群杜仲種質(zhì)雄花主要形態(tài)性狀均處于第二位，活性成分含量總體較低。聚類(lèi)結(jié)果與杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果(表3)基本一致。

表4 不同類(lèi)群杜仲雄花主要性狀特征

注：同行不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters in the same row mean significant difference(P<0.05).

圖2 杜仲種質(zhì)的Q型聚類(lèi)Fig.2 Q-type cluster analysis of E.ulmoides germplasms

3 討論

我國(guó)杜仲資源豐富，雄株占40%～60%[16]，如果僅憑少數(shù)幾個(gè)性狀的表現(xiàn)對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)、選擇，勢(shì)必存在一定的片面性，為了更好地對(duì)杜仲雄花品質(zhì)做出全面、客觀(guān)的評(píng)價(jià)，雄花性狀的選取至關(guān)重要。張波等[17]對(duì)不同產(chǎn)區(qū)寧夏枸杞果實(shí)的主成分分析與綜合評(píng)價(jià)中，選取了具有代表性的外觀(guān)品質(zhì)(百粒質(zhì)量、果形指數(shù))和內(nèi)在品質(zhì)(多糖、甜菜堿、胡蘿卜素)。本研究選取的17個(gè)性狀基本涵蓋了產(chǎn)量性狀、形態(tài)性狀、水分含量狀況、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及藥用品質(zhì)5個(gè)方面，都是與杜仲雄花相關(guān)的重要性狀，對(duì)這些性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)分析對(duì)杜仲育種及杜仲雄花資源開(kāi)發(fā)利用有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

表型性狀受基因和環(huán)境控制，本研究在同一生態(tài)環(huán)境下，對(duì)193份杜仲種質(zhì)雄花主要性狀進(jìn)行研究，結(jié)果表明，193份杜仲種質(zhì)雄花17個(gè)主要性狀存在明顯差異，除含水率和氨基酸含量變異系數(shù)較小外，其它性狀變異系數(shù)都較大，豐富的變異為良種選育提供了可能。

品質(zhì)性狀是包含多因素的綜合概念，其評(píng)價(jià)的前提是評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取，目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有開(kāi)展有關(guān)杜仲種質(zhì)資源雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)的研究。本研究采用主成分分析和聚類(lèi)分析相結(jié)合的方法，對(duì)193份杜仲種質(zhì)雄花17個(gè)主要性狀進(jìn)行了較客觀(guān)、全面的評(píng)價(jià)分析，為簡(jiǎn)化杜仲雄花品質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)而對(duì)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。在主成分分析和聚類(lèi)分析分析之前，需要對(duì)性狀進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除量綱差異[18～19]。

宋江峰等[20]采用主成分分析與聚類(lèi)分析相結(jié)合的方法對(duì)菜用大豆品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出8個(gè)指標(biāo)代替原有的18項(xiàng)指標(biāo)，并對(duì)不同品種進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究中，經(jīng)主成分分析提取了8個(gè)主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了85.777%，基本反映了杜仲雄花17個(gè)主要性狀的大部分信息。對(duì)杜仲雄花各性狀進(jìn)行R型聚類(lèi)分析，結(jié)合主成分分析中各主成分特征向量較大的性狀，確定了雄蕊長(zhǎng)度、單株產(chǎn)量、京尼平苷酸、綠原酸、異槲皮苷、總黃酮、氨基酸含量以及含水率8個(gè)因子基本可以代替原來(lái)的17個(gè)性狀，作為杜仲雄花品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)綜合得分對(duì)193份杜仲種質(zhì)雄花品質(zhì)進(jìn)行排序，編號(hào)為10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花綜合得分較高，品質(zhì)相對(duì)較好?？勺鳛槎胖儆N的優(yōu)勢(shì)親本材料，另一方面，在杜仲雄花茶加工時(shí)，雄花形態(tài)、產(chǎn)量及活性成分含量對(duì)雄花茶品質(zhì)有重要影響，這些材料可作為雄花茶加工的首選材料，生產(chǎn)中適當(dāng)擴(kuò)大栽植面積。進(jìn)一步對(duì)193份杜仲種質(zhì)進(jìn)行Q型聚類(lèi)，結(jié)果顯示第Ⅰ類(lèi)群總體表現(xiàn)較差，僅總黃酮和氨基酸含量較高，在以這兩種成分為利用目的時(shí)可考慮此類(lèi)群種質(zhì)；第Ⅱ類(lèi)群杜仲雄花8種活性成分含量均較高，可作為選育高活性成分含量的品種；第Ⅲ類(lèi)群杜仲雄花總體表現(xiàn)最好，其形態(tài)性狀、單株產(chǎn)量、桃葉珊瑚苷、京尼平苷酸和綠原酸含量均為各類(lèi)群中最高，這與經(jīng)主成分分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，在今后育種及開(kāi)發(fā)利用時(shí)應(yīng)著重考慮；第Ⅳ類(lèi)群杜仲雄花形態(tài)性狀及單株產(chǎn)量表現(xiàn)也較好，可作為選育高產(chǎn)類(lèi)型品種。

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National “Twelve Five” Scienticific and Technological Project.

introduction：DU Qing-Xin(1991—),male,Master,Non-timber Forest Research and Development Center of Chinese Academy of Forestry.

date:2016-07-26

ComprehensiveEvaluationofEucommiaulmoidesMaleFlowersQualitybyPrincipalComponentandClusterAnalysis

DU Qing-Xin LIU Pan-Feng WEI Yan-Xiu QING Jun DU Hong-Yan*

(Non-timber Forest Research and Development Center of Chinese Academy of Forestry,The Eucommia Engineering Research Center of National Forestry Administration,Zhengzhou 450003)

To efficiently utilize theEucommiaulmoidesmale flower resources, the morphological traits and active compounds of 193E.ulmoidesgermplasms were testd. The screening of evaluation indices and comprehensive evaluation ofE.ulmoidesgermplasms were carried out by using principal component analysis and cluster analysis. The coefficients of variation of water content and amino acids content were smaller than those of other 15 traits among different germplasms. By principal component analysis, 17 traits reflecting the quality ofE.ulmoidesmale flowers could be represented by 8 principal components(cumulative contribution rates of 85.777%). Eight traits including stamen length, yield of per plant, geniposidic acid, chlorogenic acid, isoquercitrin, total flavonoids, amino acids content and water content were selected to comprehensively evaluate the quality ofE.ulmoidesmale flowers. On the basis of composite score ranking,E.ulmoidesnumbered 10469x, 11042x, 11034x, 10036x, 10464x, 10559x, 10024x, 10060x and 10497x had better quality. The 193E.ulmoidesgermplasms were divided into 4 groups at 7.0 by Q-type cluster analysis, the overall traits ofE.ulmoidesmale flowers in the third group was better than other 3 groups, which was consistent with the results of comprehensive evaluation. Eight active compounds were comparatively high in the second group and the morphological traits were also good in the fourth group. The results could provide a reference forE.ulmoidesbreeding program and the utilization of male flower resources.

Eucommiaulmoides;male flowers;quality;principal component analysis;cluster analysis

國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃(2012BAD21B0502)

杜慶鑫(1991—)，男，碩士研究生，主要從事杜仲育種與栽培。

* 通信作者：E-mail：dhy515@126.com

2016-07-26

* Corresponding author：E-mail：dhy515@126.com

S727.3

A

10.7525/j.issn.1673-5102.2016.06.007