主成分分析法在茶藨属植物果实品质评价指标上的应用研究_田贺

1、DOI:10.13327/j.jjlau.2009.05.037吉林农业大学学报2009,31(5):632636JournalofJilinAgriculturalUniversityE-mail:jlndxb主成分分析法在茶上的应用研究属植物果实品质评价指标田贺,张志东,李亚东,吴林,刘海广吉林农业大学园艺学院,长春130118摘要:为科学地简化茶属植物果实品质的评价指标,采用主成分分析方法,以茶属植物不同种间的果实为材料,对测得的果实维生素C、可溶性固形物、可溶性糖、有机酸、色价、出汁率等12项指标进行了分析。依据性状累积方差贡献率达到85%以上,提出了3个反映茶分分析法对茶关键词:茶属

2、植物果实主要品质的主成分及其主成分函数式。通过计算各种重要主成分值,进而选择综合性状优良的种。其结果与种的实际表型相近似,表明主成属植物果实品质主要性状综合评选比优良性状打分评优更科学、简便。属植物;果实品质;主成分分析;评价指标中图分类号:S663.9;Q949.751.2文献标识码:A文章编号:1000-5684(2009)05-0632-05ApplicationofPrincipalComponentAnalysisinQualityEvaluationIn-dicesofFruitQualityforRibesTIANHe,ZHANGZhi-dong,LIYa-dong,WULin,

3、LIUHai-guangCollegeofHorticulture,JilinAgriculturalUniversity,Changchun130118,ChinaAbstract:InordertosimplifytheindicesforevaluatingfruitqualitywithoutdecreasingtheinformationvolumecontainedinRibesL.,multivariatestatisticsmethodsofprincipalcomponentanalysiswereusedforanalyzing12fruitqualityindices,i

4、ncludingfruitvitaminCcontent,totalsolublesolidcontent,juicypercentage,sugar,organicacid,colorscale,juicerateetc.forfreshfruitofvariousspeciesofRibesL.duceonekilogramkernel.Accordingtomorethan85%ofthecumulativevarianceproportion,theresultsproposedthreeprincipalcomponentsandtheirfunctionequationswhich

5、reflectedthemainqualitiesofRibesL.Thekeyprincipalcomponentvaluesofvariousvarietieswerecalculated.Themethodcouldbeappliedtoselectfinespeciesandtheresultsweresimilartopracticalphenotype.ThemethodofprincipalcomponentanalysiswasmorescientificandsimplethanthemethodofgivingamarkofmainfruitqualityofRibesL.

6、ItwillprovideatheoreticalbasisforselectingfinebreedingmaterialsforRibesL.Keywords:RibesL;fruitquality;principalcomponentanalysis;qualityevaluationindices主成分分析是从多个存在一定相关关系的变量中选出几个新的综合变量,而新的综合变量又能反映原来多个变量所提供的主要信息,从而简化数据结构,寻找变量间的线性关系。由于主成分为综合变量,且相互独立,所以用主成分值作为优种选择指标,可较准确地了解各性状的综合1表现,在科学研究中具有一定的理论和实际意义。

7、茶RibesL.)植物是虎耳草科(Saxifra-属(gaceae)一类小灌木,属浆果资源。全世界约有茶属植物150种以上,主要分布在北半球寒带至温带地区,我国分布有50余种,多呈野生状态,其果实风味从苦、酸到酸甜,果实颜色有黑、红、黄、 基金项目:公益性行业科研专项基金项目(nyhyzx07-028,2006-G25),吉林省科技发展计划重点项目(20075013)作者简介:田贺,男,硕士研究生,研究方向:果树种质资源。收稿日期:2008-12-20修回日期:2009-02-28通讯作者田贺等:主成分分析法在茶绿、褐等2-4。作为第3代新兴果树,因其果实鲜艳、具有丰富的营养价值,且加工性能好

8、及该属植物具有较强的适应性而倍受青睐5。但是目前作为浆果栽培的茶属植物只有黑穗醋栗、红穗醋栗和醋栗,不但优良品种少,而且对其果实品质评价缺乏系统的标准和方法。本研究通过对茶属植物主要果实品质性状进行分析,探讨主成分分析方法用于茶属优种选择的可行性,旨在为茶属植物优良育种材料的选择提供理论依据。属植物果实品质评价指标上的应用研究633(R.komaroviiA.Pojarkvar.cuneifoliumLiou)、东北茶子(R.mandshuricumKon.)的果实采自长白山;红实茶(R.rubrumL.)的果实采自辽宁省果树研究所树木园。1.2品质测定方法采集果实样品,分别测定单果重、纵横径

9、及出汁率、可溶性固形物、可溶性糖6、有机酸6、可溶性蛋白质6、单宁6-7、维生素C7、色价值8、黄酮含量等,并用SSR法对营养品质进行差异显著性检验(表1)。1.3统计方法应用统计软件包SAS程序10-11,从样本相关矩阵出发,对表1中的12个主要性状指标进行主成分分析,根据性状累积方差贡献率达到85%以上确定主成分的个数。由各性状相关矩阵的特征向量,列出主成分的函数表达式,最后根据计算的重要主成分值,对育种材料进行选择。91材料与方法1.1材料栽培品种:黑穗醋栗(Blackcurrant)黑珍珠(BenLomond)、红穗醋栗(Redcurrant)红瑞(Cherry)、醋栗(Goosebe

10、rries)坠玉(Zuiyu)的果实采自吉林农业大学小浆果园。野生种:长白茶子(R.komaroviiA.Pojark)、楔叶长白茶子表1茶属植物果实的营养成分Table1.TheresultofnutritionqualityofRibesfruit性状Characterm(单果)/g(X1)W.O.F.d(纵)/cm(X2)L.D.d(横)/cm(X3)T.D.黑穗醋栗Blackcurrant1.02A1.224AB1.278A红穗醋栗Redcurrant0.23D0.752D0.790CD7.9D醋栗Gooseberry1.08A1.322A1.304A12.8A红实茶R.rubrum0

11、.38C0.940C0.882C10.8BC东北茶R.mandshuricum0.68B1.112B1.068B9.1CD长白茶R.komarovii0.28CD0.850CD0.800D10.6ABC楔叶长白茶R.komarovii0.23D0.746D0.628D13.6Aw(可溶性固形物)/%(X4)11.9ABSolublesolidw(可溶性糖)/%(X5)Solublesugarw(有机酸)/%(X6)Organicacidw(蛋白质)/(mg·g-1)(X7)Protein色价值(X8)Colorscalew(单宁)/%(X9)TannicAcidw(维生素C)/-1(

12、mg·100g)(X10)VitaminCw(黄酮)/%(X11)Flavonoid出汁率/%(X12)Juicerate8.08B5.85D7.69C7.60C5.37E9.60A9.50A2.95A1.88C1.74D0.67F2.81B0.94E0.67F3.1C14.27A0.33D0.77E1.45C0.35D0.73E0.90D0.22D5.75B0.27E2.00B1.17D2.02B0.77C8.64A0.85D2.89A8.38A0.91D2.74A130.24B24.64G31.68F70.40D147.84A63.36E95.04C0.06D68.5A0.05D

13、53.6B0.12D43.7C4.62B31.6F2.16C37.6D4.82B25.9G4.65A32.8EJilin吉林农业大学学报2009年10月6342结果与分析2.1主成分分析主成分的特征根和贡献率是选择主成分的依据,将茶属植物12个原性状指标转化为12个主成分。由表2可以看出,第1个主成分的特征值为6.7535,方差贡献率为56.2972%,代表了全部性状信息的56.2972%,是最重要的主成分;第2个主成分的特征值为2.3454,方差贡献率为19.5569%,代表了全部性状信息的19.5569%,第3个主成分的特征值为1.440,方差贡献率为11.9996%,其他主成分的贡献率分

14、别为9.4176%、2.2025%、0.5562%,依次明显减少。前3个主成分的累积方差贡献率为87.8237%,表3茶己经把茶属植物果实主要性状的87.8237%的信息反映出来,因此可以选取前3个主成分作为茶属植物果实性状选择的综合指标。表2茶属植物果实性状主成分的方差贡献率和累积方差贡献率Table2.EconomiccharactersinRibesvarianceproportionandcumulativevarianceproportionoffourprinci-palcomponents主成分PRIN123456特征值Eigenvalue6.75352.34541.44001.

15、13010.26430.0667贡献率/%Proportion56.279219.556911.99969.41762.20250.5562累积贡献率/%Cumulative56.297275.824187.823797.241399.4438100.0000属植物主要果实性状相关矩阵的特征向量Table3.EigenvectorsofcorrelationmatrixofmaineconomiccharactersinRibes性状Chara-cterX1X20.30580.2637X30.30550.2052X4X5X6X7X8X9X10X11X120.31030.03630.0271第1

16、主成分.3248PRIN1Y10第2主成分0.2908PRIN2Y2-0.0549-0.20240.3500-0.32670.2432-0.36020.0943-0.34440.58190.4471-0.07140.29780.29950.17640.31610.16780.16640.19390.73990.12150.2254第3主成分-0.1320-0.1271-0.1317-0.1924-0.25720.2969PRIN3Y3主成分是原变量的正规化线性组合,主成分中各性状载荷值的大小体现了各性状在主成分中的重要程度。根据各性状相关矩阵的特征向量(表3),可列出前3个主成分的函数表达式:

17、Y1=0.3428X1+0.3058X2+0.3055X3-0.0549X4-0.2024X5+0.3500X6-0.3267X7+0.2432X8-0.3602X9+0.0943X10-0.3444X11+0.31033X12;Y2=0.2908X1+0.2637X2+0.2052X3+0.5819X4+0.4471X5-0.0714X6+0.2978X7+0.2995X8+0.1678X9+0.1939X10+0.1215X11+0.0363X12;Y3=-0.1320X1-0.1271X2-0.1317X3-0.1924X4-0.2572X5+0.2969X6+0.1764X7+0.31

18、61X8+0.1664X9+0.7399X10+0.2254X11+0.0271X12。由表3和函数关系式可知,在第1主成分Y1中,有机酸X6、单果重X1、出汁率X12、纵径X2、横径X3都具有较大的正系数值,其中以X6的载荷值最大,X1、X12的载荷值次之;X9、X11和X7有较大的负系数值,当有机酸含量、出汁率和单果重较大时,单宁、黄酮和蛋白质的含量降低,表明第1主成分主要反映了茶属植物果实的有机酸、出汁率和单果重等品质特性。第2主成分Y2中,可溶性固形物X4、可溶性糖X5和色价X8这3个性状的系数值较大,尤其是以X4的载荷值最大,在第2主成分中处于首要位置,而X6具有较大的负系数值。第2

19、主成分较大时可溶性固形物、可溶性糖含量和色价值必然高,而有机酸的含量会降低,因此第2主成分可以视为以可溶性固形物含量为主的果实内在品质。第3主成分Y3中,维生素CX10、色价X8和有机酸X6这3个性状的系数值较大,维生素C含量起主要作用。当第3主成分的含量升高时,维生素C、有机酸的含量和色价值也相应地增加。因此,第3主成分可以视为加工品质的指标。田贺等:主成分分析法在茶主成分的方差贡献率和主成分的原性状相关矩阵的特征向量进一步表明:有机酸、出汁率、可溶性固形物、可溶性糖、维生素C和色价是影响茶属植物果实品质的主要因素,茶属植物果实既有很高得营养价值又有很好的加工特性。2.2优良育种材料的选择茶

20、属植物价值的大小取决于其商品价值的表4茶属植物果实品质评价指标上的应用研究己较好地综合了茶635属植物果实有机酸、出汁率、可溶性固形物、可溶性糖、维生素C和色价等主要品质特性,其代表性达到87.8237%。因此,根据3个主成分值可选择综合品质性状优良的育种材料。茶属植物重要主成分值见表4。大小,主成分的生物学内涵表明,上述3个主成分属植物的主成分值Table4.Principalcomponentvalue(PCV)ofRibes种Species第1主成分PRIN1第2主成分PRIN2第3主成分PRIN3黑穗醋栗Blackcurrant3.72071.94320.9826红穗醋栗Redcurr

21、ant0.5140-2.9285-0.6627醋栗Gooseberry2.28080.8295-2.3459红实茶R.rubrum-1.9327-0.0439-0.1512东北茶R.mandshuricum1.8566-1.36761.7335长白茶R.komarovii-3.06390.41160.0710楔叶长白茶R.komarovii-3.37561.15580.3727由表4可见,在供试材料中,第1主成分值较高的种依次是黑穗醋栗(3.7207)、醋栗(2.2808)、东北茶(1.8566)、红穗醋栗(0.5140);第2主成分值较高的种依次是黑穗醋栗(1.9432)、楔叶长白茶(1.1

22、558)、醋栗(0.8295)、长白茶(0.4116);第3主成分值较高的种依次是东北茶(1.7335)、黑穗醋栗(0.9826)、楔叶长白茶(0.3727)。以第1主成分值为横坐标、以第2和第3主成分值为纵坐标,作图排序,结果见图1。由图1可见,黑穗醋栗的第1、第2和第3主成分值都较高,即属于营养价值较高、加工品质好、适于鲜食的种;醋栗的第1、第2主成分值高,第3主成分值低,即属于营养价值较高、加工品质一般、适于鲜食的种;东北茶的第1、第3主成分值高,第2主成分值低,即属于营养价值较高、加工品质较高,但不适于鲜食的种;长白茶和楔叶长白茶的第2、第3主成分值较高,第一主成分值较低,即加工品质较

23、好;红实茶第1、2、3主成分都一般,不适于鲜食和加工,但其果实颜色鲜艳、树势较强,适宜作为观赏树木开发、利用。a.黑穗醋栗Blackcurrant;b.红穗醋栗Redcurrant;c.醋栗Gooseberry;d.红实茶R.komarovii;g.楔叶长白茶R.komaroviiR.rubrum;e.东北茶R.mandshuricum;f.长白茶图1茶属植物不同种3个主成分值散点图Fig.1.CoordinatediagramsofdistinctprincipalcomponentvalueinRibesJilin吉林农业大学学报2009年10月6363结论(1)通过主成分分析,将茶属植物

24、果实的12个主要品质性状转化为3个主成分。3个主成分提供了原性状85%以上的信息,且是综合的、相互独立的指标。将主成分分析方法用于茶属植物优良育种材料和优良品种的选择,既能把握品种的综合性状表现,又能简化选择程序,较人工打分选优快捷,更具有科学性。(2)以茶属植物果实为样本,确定出茶属植物果实3个主成分的函数式,根据主成分函数式所计算出的主成分值可为衡量茶实综合性状指标提供理论依据。(3)应用主成分分析法,对茶属植物果社,1991.2桂明珠,胡宝忠.小浆果栽培生物学M.北京:中国农业出版社,2002.3丁晓东,韩芳,闫丽波.中国茶J.北方园艺,1995(2):15-17.4林凤起.长白山的小浆果资源J.作物品种资源,1986,15(1):15-17.5修荆昌,赵伟光,张辉,等.长白山区茶子属资源及其开发利用J.吉林农业大学学报,2002,24(5):75-77.6张治安,张美善,蔚荣海.植物生理学实验指导M.北京:中国农业科学技术出版社,2004.7仝月澳,周厚基.果树营养诊断法M.北京:农业出版社,1982:134-138.8李树殿.长白山野生浆果色素含量测定J.中国野生植物,1989(1):40-43.9侯江雁,李彦冰.蓝靛果果实中总黄酮的含量测定J.黑龙江医药,2001(4):252.10裴喜春,薛何儒.SAS及应