基于主成分分析的粳稻品质评价及聚类分析

张梅霞,陈荣江

（1.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700；2.河南科技学院,河南新乡453003）

基于主成分分析的粳稻品质评价及聚类分析

张梅霞1,陈荣江2

（1.河南丰源种子有限公司,河南新乡453700；2.河南科技学院,河南新乡453003）

为探明影响黄淮流域粳稻品质的主要性状间的相互关系,以提高优质粳稻育种的预见性和可靠性,利用相关分析、主成分分析及聚类分析等分析方法,对河南省2010—2012年20个粳稻新品种的11个性状进行研究.结果表明：各性状中变异系数较高的有垩白度（64.46%）、垩白粒率（49.67%）、透明度（47.33%）、胶稠度（11.37%）和碱消值（10.20%）,其他性状的变异系数较低,垩白度、垩白粒率、透明度对稻米品质的影响很重要；将11个品质性状提取垩白因子、精米因子、粒型因子、出米因子和胶稠度因子5个主成分,其累积方差贡献率为84.74%；20个品种被划分为4个类群,第Ⅰ类含4个品种,第Ⅱ类含8个品种,第Ⅲ类含3个品种,第Ⅳ类含5个品种.第Ⅱ类属优质类,其中新稻062235的综合品质居参试品种之首,达到优质粳稻国标一级标准.在优质粳稻育种实践中应以降低垩白度及垩白粒率为主攻目标.

粳稻；品质性状；相关性；主成分分析；聚类分析

水稻是我国最重要的粮食作物之一,优质食用稻米备受消费者喜爱.如何选育品质优良的杂交组合是水稻研究的热点之一.稻米品质受品种遗传特性、生态环境以及栽培条件的综合影响,其中起决定作用的是遗传因素[1-3].有关稻米品质的研究有较多报道,如赵国珍等[4]关于云南高原粳稻品质特性的分析,历艳志等[5]关于北方粳稻稻米品质性状的遗传效应分析,马洪文等[6]以宁夏杂交粳稻育种亲本为材料进行的杂交粳稻品质性状遗传效应分析,杨娟等[7]关于江苏省杂交晚粳与迟熟中粳主要性状的比较研究等.这些研究中分析材料与地理气候特点各异,所得结果也不同.除此之外,还有涉及农艺性状、管理措施对稻米品质影响的研究[8-10].但有关黄淮流域粳稻品质性状的研究报道较少.

为明确粳稻品质性状间的相互影响及新品种的米质状况,加快粳稻品质育种进程,本文在前人研究的基础上,对河南省2010—2012年粳稻联合区试20个新品种的品质性状进行相关分析、主成分分析及聚类分析,以确定各类品种在稻米品质方面的特征和优势性状,旨在为河南省优质粳稻育种和优异种质资源的有效利用提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 分析材料

分析材料为河南省2010—2012年粳稻联合区试共20个品种的资料.参试品种包括：五粳04-136（v1）、新丰06-21（v2）、艺稻06-18（v3）、玉稻518（v4）、新稻062235（v5）、豫丰08-336（v6）、隆优1875（v7）、新丰10-2093（v8）、郑稻10-1（v9）、获稻008（v10）、鱼选10-1（v11）、新稻29（v12）、连09-40（v13）、长粳6号（v14）、新丰2号（v15）、五粳519（v16）、郑稻09-10（v17）、宛粳096（v18）、信粳64（v19）、杜粳166（v20）.以新丰2号作为CK.

1.2 试验设计

试验在河南省农业科学院、新乡市农业科学院等10个试验区进行.随机区组排列,重复3次.肥水管理同大田常规栽培模式.考察的11个品质性状为出糙率（x1,%）、精米率（x2,%）、整精米率（x3,%）、垩白粒率（x4,%）、垩白度（x5,%）、直链淀粉（x6,%）、胶稠度（x7,mm）、粒长（x8,mm）、粒型（x9,长/宽）、碱消值（x10,级）、透明度（x11,级）.由农业部食品质量监督检测中心（武汉）对样品进行分析鉴定.

1.3 分析方法

采用相关分析、主成分分析和聚类分析等方法对粳稻品质性状进行分析.首先对20个供试粳稻品种的11个品质性状进行相关分析；基于相关系数矩阵进行主成分分析,以累计方差贡献≥80%确定主成分数目；取相应主成分的特征向量,再结合相关系数矩阵计算得分系数矩阵,进而根据各品种品质性状的标准化值得到各品种在诸主成分上的得分值,在此基础上进行系统聚类；根据各类品种主要品质性状的统计结果对其特征进行综合评价.数据处理在SAS9.2[11]和MATLAB7.0[12]系统下进行.

2 结果与分析

2.1 供试粳稻品种的品质性状表现

20个供试粳稻品种的11个品质性状表现见表1.

由表1可知,供试粳稻品种的11个品质性状中,变异系数较大的有垩白度（64.46%）、垩白粒率（49.67%）、透明度（47.33%）、胶稠度（11.37%）和碱消值（10.20%）.垩白度的变异系数最大,表明垩白度在品种间的差异最明显；其次是垩白粒率和透明度；出糙率的变异系数（1.14%）最小.精米率、粒长、整精米率、粒型（长/宽）、直链淀粉的变异系数均较小,表明这些性状主要受遗传因素控制.对照《GB/T 17891—1999优质稻谷》[13]的分级标准,参试品种的出糙率均达优质粳稻一级标准（≥81%）,精米率均在优质二级（≥64%）以上,垩白粒率的均值（30.50）未达三级标准（≤30%）,垩白度的均值达优质二级标准（≤3%）,直链淀粉均值达优质一级标准（15.0%～18.0%）,胶稠度的均值（67.45）仅能达优质三级标准（≥60 mm）.由此可知,影响粳稻稻谷品质的主要指标是垩白粒率、垩白度,减少垩白粒率和垩白度是优质粳稻选育攻关的重点.

2.2 供试粳稻品种品质性状的相关分析

供试粳稻品种11个品质性状间的相关系数见表2.

为使各性状对品质的影响趋向一致,对垩白粒率、垩白度和透明度3个性状的原始值进行如下变换：将每个性状的最大值减去该性状的观测值,所得结果作为此性状的观测值.由表2各品质性状间的相关系数可知：出糙率与精米率呈显著正相关（0.520*）；精米率与整精米率呈显著正相关（0.448*）；整精米率与直链淀粉（-0.526*）、碱消值（-0.538*）均呈显著负相关；垩白粒率与垩白度（0.921**）、透明度（0.661**）均呈极显著正相关；垩白度与透明度呈极显著正相关（0.747**）；粒长与粒型呈极显著正相关（0.611**）.除此之外,其他性状间的相关性均不显著.由于各品质性状间相关关系比较复杂,为使品质性状的分析得以简化,且性状间的变异信息损失更少,须进一步做主成分分析.

2.3 供试粳稻品种品质性状的主成分分析

供试粳稻品种11个品质性状的主成分及方差贡献率见表3.

由表3可知,前5个主成分的特征值均大于或接近1.0,累积方差贡献率达84.74%,表明此5个主成分能解释所考察的11个品质性状总变异信息的84.74%,较好地代表了这些性状,从而可以代替这些品质性状进行分析.第一主成分的贡献率为26.52%,该主成分中以垩白粒率（0.943）和垩白度（0.871）的载荷较大,故称为垩白因子,它与透明度（0.662）呈正相关,表现为稻米的外观品质,第一主成分大的品种垩白米率和垩白度有偏高的趋势；第二主成分的贡献率为19.92%,以精米率（0.749）和整精米率（0.661）的载荷较高,可称为精米因子,表现为粳稻的碾米品质,该主成分与碱消值（-0.616）、透明度（-0.439）呈负相关,第二主成分值高的品种稻米品质优良；第三主成分的贡献率为16.71%,其中粒型（0.815）和粒长（0.643）的载荷较高,称为稻谷粒型因子,同样表现为稻米的外观品质；第四主成分的贡献率为12.67%,该主成分的载荷以出糙率（0.700）和整精米率（0.560）较高,称为碾米因子,表现为粳稻的碾米品质；第五主成分的贡献率为8.92%,各性状的载荷以胶稠度（0.773）最高,称为胶稠度因子,表现为稻米蒸煮食味品质.共同度表示所选的主成分能反映每个性状变异信息的比例,表3最后一列该指标值除碱消值（63.2%）和直链淀粉（65.9%）两性状外,其他各性状的共同度都接近或高于80%,表明所选主成分能较好地代表这些品质性状.

根据主成分的意义对参试粳稻品种的品质进行评价.从稻米外观看,第一主成分值越大,相应的垩白度、垩白粒率及透明度越高,由于垩白度、垩白粒率分别是某一值与其观测值之差所得,所以第一主成分值应取较大值为好；从碾磨品质看,第二主成分值越大,稻米碾磨品质越好,因此第二主成分值越大越好；从外观品质考虑,第三主成分值高,粒型偏长,但胶稠度趋低,故取中等值为好；从稻谷出米率考虑,第四主成分值越大,稻谷籽粒的成熟度、饱满度越好,出米率越高,故第四主成分值宜偏高；从蒸煮品质看,胶稠度越高,稻米的食味越好,应取较高值.由于粳稻品质性状间在遗传上存在一定相关,性状间的相关方向与优质稻米的指标要求存在不一致性,如整精米率与直链淀粉和碱消值之间存在一定的矛盾关系,因此,各主成分的值都应控制在适宜的范围之内.

2.4 供试粳稻品种的聚类分析

为客观地对参试品种进行综合评价,首先利用所得的主成分值和所考察品质性状的观测值计算诸品种相应各主成分的得分,在此基础上,运用系统聚类法（“cosine”距离,离差平方和方法）对20个参试粳稻品种进行聚类分析.供试粳稻品种的主成分得分见表4,品质特征聚类见图1.

由图1可知,在类间距离阈值为8.8时,可将20个粳稻品种划分为4类.第Ⅰ类有玉稻518（v4）、豫丰08-336（v6）、长粳6号（v14）、郑稻09-10（v17）,共4个品种；第Ⅱ类含五粳04-136（v1）、新丰06-21（v2）、获稻008（v10）、新稻29（v12）、连09-40（v13）、新丰2号（v15）、五粳519（v16）、信粳64（v19）,共8个品种；第Ⅲ类含艺稻06-18（v3）、新稻062235（v5）、宛粳096（v18）,共3个品种；第Ⅳ类含隆优1875（v7）、新丰10-2093（v8）、郑稻10-1（v9）、鱼选10-1（v11）、杜粳166（v20）,共5个品种.由此可见,供试品种的品质呈现多样性,但是遗传距离较近,表明遗传基础较狭窄.

为明确各类粳稻品种的品质特征,将各类品种的主要品质指标进行统计.各类品种品质性状的均值见表5.

由表5可知：各类粳稻品种在出糙率、整精米率、直链淀粉3个性状方面的差异不大.除第I类个别品种的直链淀粉不满足优质粳稻一级标准外,其他品种这3项指标均达到一级标准要求.参试品种的垩白粒率偏高,仅新稻062235达到国标一级要求；有4个品种（垩白粒率≤20%）达到国标二级,占参试品种总数的20%；另有8个品种（垩白粒率介于20%～30%）达到国标三级,占品种总数的40%；其余35%的品种达不到三级要求.与垩白粒率类似,垩白度也偏高,参试品种中达到国标一、二、三级要求的分别有2、13、3个,仍有25%的品种达不到三级要求.胶稠度指标第Ⅰ类优于Ⅱ、Ⅳ类,第Ⅲ类达不到国标三级的要求.

3 结论与讨论

从供试粳稻品种各品质性状的变异系数得出,垩白粒率、垩白度、胶稠度、碱消值和透明度的变异系数较高,垩白粒率、垩白度尤为突出,它们为影响稻谷品质的重要指标.由品质性状间的相关分析得出,出糙率与精米率、精米率与整精米率均呈显著正相关,整精米率与直链淀粉、碱消值均呈显著负相关,垩白粒率与垩白度呈极显著正相关,垩白粒率和垩白度均与透明度呈极显著正相关.所以,改善垩白度应该从减少垩白粒率入手,这与陈能等[14]、周治宝等[15]的研究结论一致.育种上可利用低垩白粳稻种质资源,通过杂交定向培育出灌浆结实期耐高温和强光的生态型品种,达到降低垩白度的目的.

将分析材料的11个品质性状浓缩得到5个主成分,即垩白因子、精米因子、粒型因子、碾米因子和胶稠度因子,它们能解释所考察性状总变异的84.74%.在各品种主成分得分的基础上,20个参试品种被划分为4类,第Ⅰ、Ⅱ类品质较优,Ⅲ类次之,第Ⅳ类相对较差.

参照优质粳稻品质分级标准,本研究所涉及品种的出糙率、整精米率（除杜粳166外）、直链淀粉（除豫丰08-336外）均达到一级标准要求；垩白粒率偏高,参试品种有35%未达到三级；25%的品种垩白度仅达到三级标准；胶稠度在三级标准及其以下的品种占65%.降低垩白粒率和垩白度、提高胶稠度对于提高稻谷品质来说显得尤为重要.李欣等[16]、林建荣等[17]的研究表明,粳稻品质性状主要受品种遗传基因控制,同时还受基因与环境互作的影响,糙米率、精米率、整精米率和垩白率均受母体植株基因型的控制,对其改良应采用单粒法进行早代选择.胶稠度同时受种子直接加性效应和细胞质效应的影响,所以对胶稠度的选择宜在单株选择法的基础上,主要采用单粒选择.在判定亲本利用价值上,一般要求糙米率、精米率、整精米率、碱消值和胶稠度等性状的效应值越高越好,而垩白粒率和垩白度指标越低越好,直链淀粉含量指标不宜过高或过低.本分析材料中新稻062235、郑稻09-10、五粳04-136、玉稻518的垩白度和垩白率较低,在今后的品质改良中可以加以利用.

[1]柴廷友,周鹏飞,刘敏,等.引进粳稻品种品质性状的相关及聚类分析[J].四川农业大学学报,2008,26（3）：226-232.

[2]王坚,王金福,刘炜.不同生态群粳型水稻品质性状分析[J].种子,2007,26（11）：67-70.

[3]李军,顾德法,李林峰.环境和栽培因子对水稻品质影响的研究进展[J].上海农业学报,1997,13（1）：94-97.

[4]赵国珍,蒋聪,邹茜,等.云南高原粳稻品质特性分析[J].植物遗传资源学报,2011,12（6）：916-920,927.

[5]历艳志,马建,沙录,等.北方粳稻稻米品质性状的遗传效应分析[J].吉林农业大学学报,2007,29（1）：7-10.

[6]马洪文,殷延勃,王昕,等.杂交粳稻品质性状遗传效应分析[J].西北农林科技大学学报（自然科学版）,2007,35（9）：83-89.

[7]杨娟,黄胜东,李余生.江苏省杂交晚粳与迟熟中粳主要性状的比较分析[J].江西农业学报,2014,26（6）：15-17.

[8]吴春赞,叶定池,林华,等.水稻产量构成因子与稻米品质性状关系的研究[J].江西农业学报,2006,18（2）：29-31.

[9]姚义,霍中洋,张洪程,等.播期对麦茬直播粳稻产量及品质的影响[J].中国农业科学,2011,44（15）：3098-3107.

[10]张国良,戴其根,王建武,等.施硅量对粳稻品种武育粳3号产量和品质的影响[J].中国水稻科学,2007,21（3）：299-303.

[11]胡良平.SAS统计分析教程[M].北京：电子工业出版社,2010.

[12]HANSELMAND,LITTLEFIELDB.精通MATLAB7[M].朱仁峰,译.北京：清华大学出版社,2006.

[13]林海.《稻谷》、《优质稻谷》新国家标准介绍[J].中国稻谷,2000（2）：14.

[14]陈能,罗玉坤,朱智伟,等.优质食用稻米品质的理化指标与食味的相关性研究[J].中国水稻科学,1997,11（2）：70-76.

[15]周治宝,王晓玲,余传元,等.籼稻米饭食味与品质性状的相关性分析[J].中国粮油学报,2012,27（1）：1-5.

[16]李欣,汤述翥,印志同,等.粳型杂种稻米品质性状的表现及遗传控制[J].作物学报,2000,26（4）：411-419.

[17]林建荣,石春海,吴明国.不同环境条件下粳型杂交稻稻米外观品质性状的遗传效应[J].中国水稻科学,2003,17（1）：16-20.

（责任编辑：邓天福）

Japonica rice quality evaluation and cluster analysis based on principal component analysis

ZHANG Meixia1,CHEN Rongjiang2
（1.Henan Fengyuan Seeds Co.LTD,Xinxiang453700,China；2.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China）

In order to improve the predictability and the reliability of high quality japonica rice breeding,and explore the relationship between the quality characters of japonica rice quality in Huang-Huai river basin,correlation, principal component analysis and cluster analysis were carried out on 11 characters of 20 new japonica rice varieties in Henan Province during 2010―2012.The results showed that the variation coefficient of chalkiness degree（64.46%）, chalky grain rate（49.67%）,transparency（47.33%）,gel consistency（11.37%）,alkali spreading value（10.20%）were higher than the other characters；chalkiness degree,chalky grain rate and transparency were very important to rice quality.The five principal components from 11 traits,the cumulative variance contribution rate 84.74%,were respectively chalkiness factor,milled rice,grain type factor,rice milling factor,gel consistency factor；20 variables were divided into four classes：Class I had 4 varieties；Class II contained 8 varieties；Class III contained 3 varieties；Class IV contained 5 varieties.Class II was a high quality class,in which the comprehensive quality of the Xin 062235 rice lied the first of the test varieties,up to the national standard level 1 of high quality japonica rice.In the breeding practice of high quality japonica rice,the main aim is to reduce the chalkiness and the chalky grain rate.

japonica rice；quality traits；correlation；principal component analysis；cluster analysis

S511.2+2

A

1008-7516（2016）05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.001

2016-07-31

河南省重点科技攻关项目（162102110172）

张梅霞（1976―）,女,河南新乡人,农艺师.主要从事水稻育种工作.