基于主成分与聚类分析的杜仲雄花品质综合评价

杜庆鑫 刘攀峰 魏艳秀 庆 军 杜红岩

(中国林业科学研究院经济林研究开发中心，国家林业局杜仲工程技术研究中心，郑州 450003)

基于主成分与聚类分析的杜仲雄花品质综合评价

杜庆鑫 刘攀峰 魏艳秀 庆 军 杜红岩*

(中国林业科学研究院经济林研究开发中心，国家林业局杜仲工程技术研究中心，郑州 450003)

为有效利用杜仲雄花资源，以193份杜仲种质为试材，采用主成分分析和聚类分析方法开展了品质评价指标筛选和种质资源综合评价研究。结果表明：含水率和氨基酸含量在不同种质间变异系数较小，其它性状变异系数较大。主成分分析显示反映杜仲雄花品质的17个性状可用8个主成分来表示(累积贡献率达85.777%)，筛选出雄蕊长度、单株产量、京尼平苷酸、绿原酸、异槲皮苷、总黄酮、氨基酸含量以及含水率这8个性状用于杜仲雄花品质综合评价。经综合评价，编号为10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x、10497x的杜仲雄花品质相对较好。对193份杜仲种质进行Q型聚类，在遗传距离7.0处可划分为四类，第Ⅲ类群杜仲种质雄花综合性状较好，与主成分分析综合评价结果基本一致，第Ⅱ类群杜仲雄花8种活性成分含量均较高，第Ⅳ类群杜仲雄花形态性状表现也较好。可为杜仲良种选育及雄花资源开发利用提供参考依据。

杜仲；雄花；品质；主成分分析；聚类分析

杜仲(EucommiaulmoidesOliv.)为杜仲科(Eucommiaceae)杜仲属(Eucommia)植物，别名思仙、思仲、扯丝皮、丝绵树等，是我国特有的经济树种和天然药食两用植物[1～2]。杜仲雌雄异株，雄花簇生于当年生枝条基部，产量高，易于采集[3～4]。杜仲雄花富含多种功能活性成分，主要有环烯醚萜类(如京尼平苷酸、桃叶珊瑚苷和京尼平苷)、苯丙素类(如绿原酸)、黄酮类(如异槲皮苷和紫云英苷)以及氨基酸等，具有抗菌、抗肿瘤、降血压血脂、保肝利胆、保护心脑血管等功效[5～6]。

杜仲雄花资源开发利用具有广阔的市场前景，目前杜仲雄花已被列为新食品原料，以杜仲雄花为原料开发出的杜仲雄花茶、杜仲雄花酒、杜仲雄花功能饮料等产品含有多种生物活性物质，具有良好的医疗保健功能，备受市场青睐[7～8]。我国拥有丰富的杜仲雄花资源，加大对杜仲雄花资源的开发及良种选育可以更好地适应市场的需求，因此，杜仲雄花品质综合评价就显得尤为重要，与杜仲雄花品质相关的性状，既包括花径、花高、鲜重、干重、雄蕊长度等形态性状，又包括雄花中的活性成分含量，如桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸、绿原酸、总黄酮、氨基酸等研究较多的活性成分，对这些性状进行研究有助于促进杜仲雄花资源开发利用及育种工作，同时对杜仲雄花相关产品品质有着重要的应用价值。

目前采用主成分分析和聚类分析对果树、蔬菜品质评价因子筛选和品质综合评价研究的报道较多。聂继云等[9]采用主成分分析和聚类分析确定了苹果(Malusdomestica)代表性理化指标，为苹果品质评价奠定了基础。韩泽群等[10]采用主成分分析对加工番茄(LycopersiconesculentumMill.)进行多性状综合评价，确定了评价加工番茄的5个主要指标8个主要性状。本研究通过对193份杜仲种质雄花主要性状进行测定，采用主成分分析法和聚类分析法对各性状进行分析，进而对杜仲雄花品质综合评价，初步明确杜仲雄花品质评价中的主要影响因子，并筛选出部分综合品质较高的杜仲种质，为杜仲良种选育及雄花资源开发利用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试杜仲材料193份，均采自中国林业科学研究院经济林研究开发中心原阳试验基地(113°36′E，34°55′N)杜仲基因库，基因库采用6株小区，定植行间距为3 m×3 m。每份试验材料选取6株树，每株树均于盛花期分别在树冠中部的东、西、南、北4个方向采摘雄花各约10簇，低温冷藏带回实验，保存备用。

芦丁、桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸、京尼平苷、绿原酸、异槲皮苷、紫云英苷对照品上海源叶生物科技有限公司；17种氨基酸标准品标准品美国Sigma公司；甲醇(色谱纯)天津四友精细化工试剂厂；所有分离用有机溶剂均为国产分析纯。

1.2 性状选取及测定方法

形态性状测定随机选取10簇雄花，花径、花高、雄蕊长度用游标卡尺测定，精确到0.01 mm；鲜重、干重(均为单花质量)，用电子天平称取，精确到0.001 g，含水率%=(鲜重-干重)×100/鲜重；雄蕊数直接计数，千蕊重=20枚雄蕊重×50，其中20枚雄蕊重用电子天平称取，精确到0.001 g，单株产量=开花枝数×样枝平均质量，统计开花枝数，选取1个代表开花平均状况主枝，统计雄花产量。总黄酮含量测定采用分光光度法[11]，氨基酸含量测定采用全自动氨基酸分析仪[12]，桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸、绿原酸、京尼平苷、异槲皮苷、紫云英苷等6种活性成分含量测定采用改进HPLC法[13]，8种活性成分含量的测定结果均为3次重复的平均值。

1.3 数据统计分析

采用SPSS20.0对相关数据进行分析。主成分分析以累积方差贡献率≥85%为提取主成分的标准[14]，聚类分析采用离差平方和法。杜仲雄花品质综合评价方法为：以各主成分对应的方差贡献率作为权重，各主成分得分与相应权重进行线性加权求和得到综合评价函数[15]。主要公式如下：

T=∑Ti×βi

(1)

式中：i=1～8，T为杜仲雄花品质综合评价得分，Ti为各主成分得分值，βi为各主成分对应的方差贡献率。

Ti=∑Zi×Xj

(2)

式中：i=1～8，j=1～17，Z为主成分向量值，X为各主成分对应的性状。

2 结果与分析

2.1 杜仲雄花主要性状的测定分析

供试杜仲雄花17项主要性状特征见表1。193份杜仲雄花主要性状平均变异系数为43.34%，其中，京尼平苷含量变异系数最大，为112%，紫云英苷含量、京尼平苷酸含量的变异系数次之，分别为89.56%和88.60%；含水率和氨基酸含量变异系数最小，分别为5.18%和12.52%。结果表明，不同种质间杜仲雄花主要性状存在较大变异，表现出了不同程度的多样性。

表1 杜仲雄花主要性状的测定结果

2.2 杜仲雄花主要性状的主成分分析

对193份杜仲雄花主要性状进行主成分分析，结果见表2。前8个主成分的累积贡献率为85.777%，基本包含了杜仲雄花17个性状的大部分信息。因此选取前8个主成分作为综合指标对其品质进行综合评价。第1主成分贡献率为30.221%，决定其大小的主要是鲜重、干重、单株产量、雄蕊数、花径和花高；第2主成分贡献率为15.441%，决定其大小的主要是雄蕊长度、千蕊重和花高；第3主成分贡献率为9.345%，决定其大小的主要是京尼平苷酸、桃叶珊瑚苷和京尼平苷含量；第4主成分贡献率为7.841%，决定其大小的主要是紫云英苷和异槲皮苷含量；第5主成分贡献率为7.069%，决定其大小的主要是含水率；第6主成分贡献率为6.534%，决定其大小的主要是氨基酸含量；第7主成分贡献率为5.128%，决定其大小的主要是总黄酮含量；第8主成分贡献率为4.199%，决定其大小的主要是绿原酸含量。根据雄花性状在各主成分中正系数的大小，确定单株产量、雄蕊长度、京尼平苷酸、异槲皮苷、氨基酸、总黄酮、绿原酸含量以及含水率8个因子可用来综合评价杜仲雄花品质。

2.3 杜仲雄花品质综合评价

经主成分分析提取了8个主成分，计算193份杜仲资源雄花在各个主成分中的得分及综合得分，并按照5%入选率确定8种类型性状优良的杜仲雄花，即得分前9位的为品质较好的雄花资源(表3)，综合得分越高表明该杜仲雄花综合品质越高。由表3可知，193份材料中，编号为10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花综合得分较高，品质相对较好。

2.4 杜仲雄花R型及Q型聚类分析

对杜仲雄花各性状进行R型聚类分析，聚为一类的雄花性状之间具有密切的相关或偏相关性，可选用1个性状代表同一类中的其它性状；单为一类的性状则具有相对独立性。结果显示所有性状在遗传距离6.0处可划分为8类(图1)，第1类包括雄蕊长度和千蕊重2个与雄蕊有关的性状；第2类包括鲜重、单株产量、花径、花高、干重、雄蕊数等6个与雄花形态及产量有关的性状；第3类包括桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸和京尼平苷等3个环烯醚萜类化合物组分；第4类包括绿原酸一个性状；第5类包括异槲皮苷和紫云英苷2个黄酮类化合物组分；第6类包括总黄酮一个性状；第7类包括氨基酸一个性状；第8类包括含水率一个性状。这与主成分分析结果(表2)相一致。因此，17个性状可由8个类别中的性状代表，即雄蕊长度、单株产量、京尼平苷酸、绿原酸、异槲皮苷、总黄酮、氨基酸含量以及含水率8个性状。

表28个主成分的特征向量、特征值、方差贡献率及累积贡献率

Table2Eigenvectors,eigenvalues,variancecontributionratesandcumulativecontributionratesofeightprincipalcomponents

表3 杜仲雄花主成分得分和综合得分

图1 杜仲雄花性状的R型聚类Fig.1 R-type cluster analysis of E.ulmoides male flower traits

对193份杜仲种质进行Q型聚类分析，在遗传距离7.0处可划分为4个类群(图2)，各类群杜仲雄花主要性状特征见表4，4个类群除含水率外，其它性状均存在显著差异。其中，第Ⅰ类群包括90份材料，该类群杜仲种质雄花除氨基酸和总黄酮含量较高外，其它性状值均较低，总体表现一般；第Ⅱ类群包括53份材料，该类群杜仲种质雄花主要形态性状值均较低，桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸、绿原酸和氨基酸含量在4各类群中位居第二位，其它活性成分含量在4个类群中均最高；第Ⅲ类群包括4份材料，编号分别为11034x、10036x、11042x和10469x，该类群杜仲种质雄花主要形态性状值均较高，除含水率和千蕊重外，其它形态性状均显著高于另外3个类群，尤其是单株产量，达到了873.42g，活性成分含量以桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸和绿原酸含量最高；第Ⅳ类群包括46份材料，该类群杜仲种质雄花主要形态性状均处于第二位，活性成分含量总体较低。聚类结果与杜仲雄花品质综合评价结果(表3)基本一致。

表4 不同类群杜仲雄花主要性状特征

注：同行不同字母表示差异显著(P<0.05)。

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

图2 杜仲种质的Q型聚类Fig.2 Q-type cluster analysis of E.ulmoides germplasms

3 讨论

我国杜仲资源丰富，雄株占40%～60%[16]，如果仅凭少数几个性状的表现对种质资源进行评价、选择，势必存在一定的片面性，为了更好地对杜仲雄花品质做出全面、客观的评价，雄花性状的选取至关重要。张波等[17]对不同产区宁夏枸杞果实的主成分分析与综合评价中，选取了具有代表性的外观品质(百粒质量、果形指数)和内在品质(多糖、甜菜碱、胡萝卜素)。本研究选取的17个性状基本涵盖了产量性状、形态性状、水分含量状况、营养品质及药用品质5个方面，都是与杜仲雄花相关的重要性状，对这些性状进行评价分析对杜仲育种及杜仲雄花资源开发利用有一定的指导价值。

表型性状受基因和环境控制，本研究在同一生态环境下，对193份杜仲种质雄花主要性状进行研究，结果表明，193份杜仲种质雄花17个主要性状存在明显差异，除含水率和氨基酸含量变异系数较小外，其它性状变异系数都较大，丰富的变异为良种选育提供了可能。

品质性状是包含多因素的综合概念，其评价的前提是评价指标的选取，目前国内外还没有开展有关杜仲种质资源雄花品质综合评价的研究。本研究采用主成分分析和聚类分析相结合的方法，对193份杜仲种质雄花17个主要性状进行了较客观、全面的评价分析，为简化杜仲雄花品质评价指标进而对品质进行综合评价奠定了基础。在主成分分析和聚类分析分析之前，需要对性状进行标准化处理，消除量纲差异[18～19]。

宋江峰等[20]采用主成分分析与聚类分析相结合的方法对菜用大豆品质进行综合评价，筛选出8个指标代替原有的18项指标，并对不同品种进行评价。本研究中，经主成分分析提取了8个主成分，其累积贡献率达到了85.777%，基本反映了杜仲雄花17个主要性状的大部分信息。对杜仲雄花各性状进行R型聚类分析，结合主成分分析中各主成分特征向量较大的性状，确定了雄蕊长度、单株产量、京尼平苷酸、绿原酸、异槲皮苷、总黄酮、氨基酸含量以及含水率8个因子基本可以代替原来的17个性状，作为杜仲雄花品质综合评价指标。根据综合得分对193份杜仲种质雄花品质进行排序，编号为10469x、11042x、11034x、10036x、10464x、10559x、10024x、10060x和10497x的杜仲雄花综合得分较高，品质相对较好。可作为杜仲育种的优势亲本材料，另一方面，在杜仲雄花茶加工时，雄花形态、产量及活性成分含量对雄花茶品质有重要影响，这些材料可作为雄花茶加工的首选材料，生产中适当扩大栽植面积。进一步对193份杜仲种质进行Q型聚类，结果显示第Ⅰ类群总体表现较差，仅总黄酮和氨基酸含量较高，在以这两种成分为利用目的时可考虑此类群种质；第Ⅱ类群杜仲雄花8种活性成分含量均较高，可作为选育高活性成分含量的品种；第Ⅲ类群杜仲雄花总体表现最好，其形态性状、单株产量、桃叶珊瑚苷、京尼平苷酸和绿原酸含量均为各类群中最高，这与经主成分分析综合评价结果基本一致，在今后育种及开发利用时应着重考虑；第Ⅳ类群杜仲雄花形态性状及单株产量表现也较好，可作为选育高产类型品种。

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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

国家“十二五”科技支撑计划(2012BAD21B0502)

杜庆鑫(1991—)，男，硕士研究生，主要从事杜仲育种与栽培。

* 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