食用木槿资源主要农艺性状的主成分分析和聚类分析

陈家龙,余宏傲,朱建军,戎建涛

（温州科技职业学院,温州325006）

植物资源的评价和分类是品种收集、选育和改良的基础工作之一,在评价作物、蔬菜、果树、花卉等种质资源时,采用传统加权打分法,具有一定的主观性[1];而食用栽培植物,其农艺性状中,数量性状较多,各变量之间往往具有某种关联,观测数据反映的信息在一定程度上有相关性[1-2],不利于种质资源的评价和利用。主成分分析是一种降维的统计方法,在众多的农艺性状中,找出少数几个综合因子来代表原来众多的变量,尽可能地反映原来变量的信息量;综合因子之间互不相关,从而达到简化目的[3],有利于对收集的资源进行评价。聚类分析既可以将某些未知个体正确地归属到其中的某一类[4],也可以在不知群体具体分类的情况下,通过数据分析对群体进行分类,是研究植物资源分类和亲缘关系的主要方法之一。主成分分析和聚类分析为研究种质资源之间的关系及对其进行综合评价提供了科学的方法,在农作物[5-8]、蔬菜[9-10]、花卉[11]、经济作物[12-13]等资源评价及利用上得到了广泛应用。

木槿（Hibiscus syriacus）为锦葵科木槿属植物,花期长,除了观赏绿化外,我国部分地区居民一直有食用木槿花朵的习俗,故又称为面花、鸡肉花等。木槿花烹饪入馔早在晋代就有记载[14],浙南、皖南、闽北、闽西和赣南等地区居民具有采摘木槿花食用的风俗[15-17]。随着社会经济的发展,木槿因其食用和保健价值而作为食用花卉,其烹饪方法多样,味道清香,滑嫩可口,已成为绿色特色菜肴。中医认为其味甘苦,性凉;归脾、肺、肝经,有清热燥湿、止咳、凉血的功效[18];现代营养学研究表明,木槿花含有适中的粗蛋白、粗纤维、维生素C、黄酮类,钙、铁、锌等矿质元素含量丰富,具有16种氨基酸,并且还具有特殊的黏性物质,营养丰富[17-18]。木槿作为食用栽培生产,主要集中在长江以南地区,如安徽南部、江西、上海、浙江、福建和广州等地[19],由于受地理、生长环境等影响,特别是饮食习俗和栽培种类的不同,形成了众多的木槿食用资源。目前,国内对木槿的研究主要见于栽培技术[20]、药用研究[6]等,也有少量对木槿花营养及食用价值的报道[17-18,21],其他方面研究较少。木槿品种的选育、杂交育种等工作主要集中在韩国、美国[22-25],国内未见相关报道。鉴定评价现有种质资源是品种选育、良种推广等应用的基础,本试验对不同木槿食用资源进行主成分分析和聚类分析,以期为食用木槿种质的收集、保存、创新、利用等提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为温州科技职业学院2012—2013年收集的13个不同食用木槿栽培类型,编号及特性见表1。

表1 13个食用木槿来源及特征Table 1 The characters and origins of 13 edible hibiscus

1.2 试验方法

1.2.1 田间试验设计

田间试验于2016年在温州市种子种苗示范基地（温州科技职业学院藤桥科技园）进行,试验采用随机区组设计,3次重复。株距为1.2 m,行距为1.5 m,栽培管理措施同一般田间生产。

1.2.2 数量性状测定

在生长期和开花期,分别记录不同食用木槿栽培类型的当年最长枝条长度、花蕾长、花蕾重量、花径、花萼长、花柱长、花梗长、第一轮花瓣长、花瓣数、花朵重量、枝顶花蕾数、花量（花∕株·日）、始花期、开花天数。不同栽培类型随机抽样10株观察记载,重复3次。

1.2.3 质量性状测定

质量性状按括号中的数字进行编码,以便进行统计分析。花瓣基部是否有斑点:无斑点（1）、有斑点（2）;花萼是否容易剥离:易剥离（1）、不易剥离（2）。不同栽培类型随机抽样10株观察记载,重复3次。

1.3 数据计算与统计处理

测量13个食用木槿栽培类型的16个农艺性状,基本观察测量数据采用 Excel 2003软件处理,采用SRSS 16.0软件进行主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 主成分分析

2.1.1 主要农艺性状的主成分贡献率

对13个食用木槿的16个农艺性状进行主成分分析,通过主成分分析对众多性状进行降维,13个食用木槿的16个农艺性状主成分分析结果见表2。选取特征值大于1的前4个主成分,第1主成分方差贡献率达35.675%,特征值为5.708;第2主成分方差贡献率为30.928%,特征值为4.948;第3主成分方差贡献率为12.918%,特征值为2.067;第4主成分方差贡献率为7.898%,特征值为1.264。此4个主成分累计贡献率为87.419%,满足Σλm∕Σλp≥0.85的要求,即此4个主成分代表了食用木槿农艺性状87.419%的综合信息。

表2 13个食用木槿的16个农艺性状的主成分贡献率和累计贡献率Table 2 The principal components contribution and accumulated contribution of 16 agronomic characters of 13 edible hibiscus

2.1.2 主要性状相关矩阵的特征向量及其相关系数

由表3可知,第1主成分中,花蕾长、花萼长、第一轮花瓣长、花柱长、年最长枝长、花量、斑点、易剥离具有较高的特征向量,其中花柱长、花萼长、第一轮花瓣长、斑点的特征向量分别为0.943、0.858、0.767、0.755,主要反映食用木槿花朵的形态特征,年最长枝长、花量基本反映了食用木槿的生长势,即第1主成分反映了食用木槿的花朵形态和生长势的综合指标。第2主成分中,花径、花瓣数、花朵重量、花蕾重量、花梗长、开花天数具有较高的特征向量,其中花径、花瓣数、花朵重量、花蕾重量、开花天数的特征向量分别为0.858、0.694、0.604、0.614、0.692,此类指标均为花朵的重量和开花天数,涉及到整个生产季节的产量问题,表明第2主成分是主要反映食用木槿产量的综合指标;并且在此主成分中,花量的特征向量是负值,为-0.532,说明花朵多的植株或栽培类型,整个采摘期的产量不一定高。第3主成分中,花蕾重量、花量、始花期具有较高的特征向量,表明第3主成分是主要反映食用木槿的开花特性的综合指标。第4主成分中,只有枝顶花蕾数具有较高的特征向量,表明第4主成分是主要反映食用木槿的枝顶的花蕾量的综合指标。根据4个主成分因子特征向量的大小,筛选4组农艺性状因子（表4）。

表3 食用木槿的16个农艺性状的特征向量Table 3 The eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

2.1.3 16个主要农艺性状的相关矩阵R

由表5可知,花径大小与花瓣数、花蕾长、花蕾重量、开花天数具有较强的相关性,花瓣数量的多少与花朵重量、花蕾重量具有较强的相关性,相关系数分别为0.975、0.929,与花量、年最长枝长呈较强负相关性,相关系数分别为-0.533、-0.659,花朵重量与花瓣数、花蕾重量呈较强相关性;与花柱长呈现较强负相关性,相关系数为-0.531;表明花柱越长,木槿的雄蕊瓣花越少,花瓣少,花朵重量就降低,符合实际情况。花蕾长与花径、花柱长、花萼长具有强相关性;花蕾重量与花径、花瓣数、花朵重量具有强相关性,相关系数分别为0.600、0.929、0.928;花萼长与花蕾长、花柱长、第一轮花瓣长、斑点、容易剥离具有一定相关性;花柱长除了与花蕾长、花萼长具有较强相关性外,与第一轮花瓣长、斑点、容易剥离有一定相关性;顶枝花蕾数量与其他性状的相关性不强。花量与年最长枝长呈较强相关性,相关系数为0.681,由于木槿是当年生枝条花芽分化,当年生枝条越长,花量越多,符合木槿的生长特性。始花期与其他性状相关性不强,质量性状有无斑点与花蕾长、花柱长、第一轮花瓣长、开花天数具有一定的相关性,质量性状花萼是否容易剥离特性与花萼长、花量、年最长枝长有一定的相关性。

表4 食用木槿农艺性状主成分不同层次的指标及其特征向量Table 4 The indexes and eigenvector of 16 agronomic characters of edible hibiscus

表5 16个主要农艺性状的相关矩阵RTable 5 The coefficient of correlation matrix on 16 agronomic characters

2.2 聚类分析

根据食用木槿的16个农艺性状进行Q型聚类,采用欧氏距离平方,以Ward法对13个食用木槿类型进行聚类,结果表明:13个食用木槿类型可以分为3个大类,第I类包括CF-1、CF-3、CH-1、CZH-1;第II类包括 DZ-2、DZ-3、DZ-1、CF-2 和 DB-1;第 III类包括 CB-2、CB-3、CB-1、CB-4（图 1）。

进一步细分,第I类可以分为3小类,第一小类为CF-1和CF-3,第二小类和第三小类分别为CH-1、CZH-1;第II类可以分为3小类,第一小类为DZ-2和DZ-3,第二类小是DZ-1、CF-2,第三小类为DB-1;第III类可以分为3小类,第一小类CB-2和CB-3,第二小类和第三小类分别为CB-1、CB-4。

图1 13个食用木槿的聚类关系Fig.1 Dendrogram reflecting genetic relationship between 13 edible hibiscus based on analysis of 16 agronomic characters

3 讨论与结论

通过对食用木槿16个农艺性状进行主成分分析,形成了4个主成分,代表了食用木槿农艺性状87.419%的综合信息,此4个主成分反映了花朵形态、生长势、产量、开花特性等综合信息。表明食用木槿选育工作中,需主要关注此类农艺性状,并且需注意特征向量为负值的农艺性状,如第2主成分中的花量性状,其特征向量为-0.532。食用木槿的产量不仅是花量单一因素决定,还涉及到花蕾重、花重等农艺性状,在食用木槿中,花量大,可能说明单朵花和花蕾的重量少。

通过16个农艺性状的相关矩阵R分析发现,有些性状之间呈现较强的正相关,有些性状间呈现较强负相关,表明性状之间既有联系又有制约,单朵花瓣数量的多少与花朵重量、花蕾重量呈现正相关性,与花量呈较强负相关性,即单朵花瓣数量越多,花朵和花蕾越重,但同时单株的花量越少,说明单瓣型食用木槿的花量比重瓣型的花量多。花朵重量与花柱长度呈现较强负相关性,也说明了花柱长,其瓣化率低,重量降低。从木槿花型结构分析,其单瓣为5瓣,重瓣是在此基础上的雌雄蕊瓣化而成,先是雄蕊瓣化,而后是雌蕊瓣化,符合木槿花的特性。根据主成分分析,可以减少工作量,便于分析众多农艺性状之间的相互关系,并且可以进一步建立评价模型,为选育和生产提供参考。

16个农艺性状运用Q型聚类分析,可将13个食用木槿栽培类型分为3个大类。本研究没有将花色作为农艺性状指标,只对花朵形态、产量、开花特性等农艺性状进行聚类,结果基本突出了花色和花型为聚类成果,即第I类是以重瓣为花型,颜色包括红色,粉色、紫红色,第II类以单瓣为主体,颜色包括紫色、白色;第III类均为重瓣花型,花色为白色。这也反映了木槿群体的基本亲缘关系和演化,从欧氏距离平方上看,相对重瓣白色木槿,单瓣紫色类型与重瓣红色、粉色亲缘关系更近,说明木槿的花型是从单瓣演化为重瓣;花色最原始为紫色,演化为粉色或红色,白色是较为进化的类型,说明重瓣白色木槿是较进化的类型。本研究也观察了不同重瓣白花木槿瓣化类型,即先是雄蕊瓣化,再是雌蕊瓣化,其他颜色重瓣类型,没有发现雌蕊瓣化现象,也应证了本研究聚类结果。本研究对观赏型木槿的分类也具有一定的参考价值,可以在分子水平上对木槿的分类及亲缘关系进行更深入的研究。