上海市松江区粳稻稻米品质主成分分析和聚类分析

顾 啸，陆铭昌，金菊花，黄慧珍，毛瑷璇，姚麒麟

(上海市松江区农业技术推广中心，上海 201611)

水稻是我国最主要的粮食作物之一，对保障我国粮食安全具有重要的意义，提升其产量和品质一直以来都是水稻品种改良的主要目标[1]。 近年来，随着超级稻技术的研究与推广，我国水稻产量不断取得突破，2015年平均产量达到6 892.5kghm2[2]。同时，随着人民消费水平和生活品质的不断提高，对于优质稻米的需求量越来越大。水稻生产逐渐由过去的数量增长型向质量效益型转变[3]，提升稻米品质成为许多地区关注的重点。

松江区位于上海市西南部，属亚热带湿润季风气候，水稻是其最主要的粮食作物，常年种植面积约10 500hm2。2014年，“松江大米”成为上海市唯一获评的稻米类“国家地理标志保护产品”，水稻生产逐步走上优质、高效、生态、可持续的品牌化发展道路。目前，对上海市松江区水稻的研究主要集中在水稻品种筛选和栽培技术措施上[4-5]，对其稻米品质的研究尚未见报道。据此，本试验以上海市松江区种植的13个粳稻品种(系)为研究对象，利用统计方法对其稻米品质进行综合分析，以期为上海郊区水稻品质的改良提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种(系)

选取2016年种植在松江区良种繁育场的13个粳稻品种(系)为试验材料，分别为‘秀水134’‘秀水114’‘秀水121’‘南粳46’‘嘉禾218’‘松早香1号’‘松早香2号’‘松香粳1018’‘S66’‘苏香粳100’‘松66’‘松38-2-2’和‘松41-2’。种植田块前茬为绿肥，地力均匀，肥力中等，土壤类型属“青紫泥”，质地为重壤。水稻全生育期每667m2施纯氮23.79kg，基肥∶分蘖肥∶穗肥为5∶2∶3，水浆管理以浅水勤灌为主，其他田间管理同一般大田生产。

1.2 检测性状

2016年将13个粳稻品种(系)样品由松江区农业技术推广中心统一送至农业部稻米及其制品质量监督检验测试中心进行稻米品质检测，包括糙米率(X1)、整精米率(X2)、精米率(X3)、垩白度(X4)、透明度(X5)、垩白粒率(X6)、粒长(X7)、长宽比(X8)、碱消值(X9)、直链淀粉含量(X10)、胶稠度(X11)和蛋白质含量(X12)共12个品质性状。

1.3 数据分析

采用Excel 2010和SPSS 19.0数据统计软件对试验数据进行整理、主成分分析及聚类分析。

表1 13个粳稻品种(系)稻米品质性状

Table 1 Grain quality traits of 13Japonicarice varieties(lines)

2 结果与分析

2.1 稻米品质描述性统计分析

从表1可知，12个品质性状中，垩白度变异系数最大(63.5%)，碱消值变异系数最小(0.8%)，12个品质性状的变异系数由大到小依次为垩白度﹥透明度﹥垩白粒率﹥直链淀粉含量﹥长宽比﹥胶稠度﹥粒长﹥整精米率﹥蛋白质含量﹥精米率﹥糙米率﹥碱消值。其中，胶稠度、粒长、整精米率、蛋白质含量、精米率、糙米率、碱消值的变异系数较小，表明这些性状在品种(系)间差异较小；而垩白度、透明度、垩白粒率、直链淀粉含量、长宽比的变异系数较大，表明品种(系)间这些性状存在较大差异。根据GBT 17891—1999优质稻谷质量指标，13个品种(系)在糙米率、整精米率、垩白粒率、垩白度和胶稠度方面表现较好，优质达标率均≥76.9%，在直链淀粉含量方面表现一般，优质达标率为38.5%。

参试的13个粳稻品种(系)中，‘S66’‘南粳46’‘苏香粳100’‘松香粳1018’‘松早香2号’‘松早香1号’‘松41-5’和‘松38-2-2’这8个品种(系)的直链淀粉含量变幅在7.9%—10.6%，明显低于其他品种(系)，且透明度为2—3级，高于其他品种(系)，属于软米类型。但这8个品种(系)的胶稠度表现出两级分化的现象，‘S66’‘松早香1号’和‘松早香2号’这3个品种(系)的胶稠度变幅为55—61mm，在参试品种(系)中处于较低水平，其他5个品种(系)的胶稠度变幅在74—82mm，在参试品种(系)中处于较高水平。

2.2 稻米品质性状间相关分析

从表2可见，稻米各品质性状之间存在着较为复杂的相关关系。糙米率与整精米率呈显著正相关，与精米率和胶稠度呈极显著正相关，与直链淀粉含量呈显著负相关，说明在提高糙米率的同时，精米率和整精米率也会有所提高，并且米饭也变得更软、更黏。整精米率与精米率呈显著正相关，与粒长和长宽比呈极显著负相关，说明选择长粒型水稻类型，其精米率和整精米率将会受到一定影响。精米率与垩白度呈显著负相关，与胶稠度呈极显著正相关。垩白度与透明度和垩白粒率分别呈显著和极显著正相关，与碱消值呈极显著负相关。透明度与垩白粒率呈极显著正相关，与直链淀粉含量呈极显著负相关。垩白粒率与直链淀粉含量呈显著负相关，说明改良稻米垩白性状有利于精米率提高，但会使直链淀粉含量有所下降。粒长与长宽比呈极显著正相关。

表2 13个粳稻品种(系)稻米品质性状间相关矩阵

*和**分别表示达到5%和1%的显著水平

2.3 稻米品质性状主成分分析

主成分分析是描述隐藏在一组被测变量中无法直接测量到的隐性变量，是综合处理多因素问题的有效方法。根据提取特征值大于1的原则，共分离出4个主成分，累计贡献率达91.069%。第一主成分贡献率为32.888%，第二主成分贡献率为30.559%，第三主成分贡献率为17.176%，第四主成分贡献率为10.445%，说明这4个主成分可以有效地代表稻米品质的12个性状(表3)。

表3 稻米品质性状主成分分析

第一主成分(Y1)中，糙米率、精米率、胶稠度和整精米率有较大载荷，符号为正，说明第一主成分主要反映稻米加工品质和胶稠度的状况，得分越高，糙米率、精米率、整精米率和胶稠度越高，因此把第一主成分命名为“加工与胶稠度联合因子”。第二主成分(Y2)中，垩白粒率、垩白度和透明度有较大载荷，符号为负，说明第二主成分主要反映稻米垩白状况，得分越高，稻米垩白度、垩白粒率越低，透明度等级越高，因此把第二主成分命名为“垩白因子”。第三主成分(Y3)中，粒长和长宽比有较大载荷，符号为正，说明第三主成分主要反映稻米籽粒形态特征，得分越高，籽粒越细长，因此把第三主成分命名为“粒型因子”。第四主成分(Y4)中，蛋白质含量有较大载荷，符号为正，说明第四主成分主要反映稻米蛋白质含量情况，得分越高，蛋白质含量越高，因此把第四主成分命名为“蛋白因子”。

根据表3特征向量系数，可得各主成分得分公式。

Y1=0.453X1+0.388X2+0.438X3-0.240X4+0.096X5-0.016X6-0.150X7-0.188X8+0.208X9-0.301X10+0.416X11-0.145X12

(1)

Y2=0.079X1-0.030X2+0.126X3-0.418X4-0.398X5-0.442X6+0.341X7+0.341X8+0.325X9+0.343X10+0.056X11+0.084X12

(2)

Y3=0.227X1-0.407X2+0.246X3+0.143X4+0.279X5+0.114X6+0.475X7+0.469X8-0.194X9-0.207X10+0.127X11-0.262X12

(3)

Y4=0.083X1+0.037X2+0.038X3+0.057X4+0.362X5+0.121X6+0.118X7+0.149X8+0.437X9-0.195X10-0.217X11+0.727X12

(4)

从表4可知，‘苏香粳100’‘南粳46’ 和‘松香粳1018’3个品种(系)的第一主成分得分较高，稻米加工品质和胶稠度较好。‘嘉禾218’的第二主成分得分较高，其外观品质较好。‘嘉禾218’的第三主成分得分较高，其粒型较为细长。‘松41-5’‘S66’和‘松早香1号’的第四主成分得分较高，其蛋白质含量较高。

表4 各品种(系)主成分得分

图1 13个粳稻品种聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 13 Japonica rice varieties(lines)

2.4 基于主成分得分的13个粳稻品种(系)聚类分析

根据表4中各品种(系)主成分得分，采用平方欧式距离和平均联结(组间)系统聚类法对13个粳稻品种(系)进行聚类分析，结果如图1所示。取距离10为阈值，13个粳稻品种(系)可聚为5类。第Ⅰ类包括‘南粳46’‘松香粳1018’‘松38-2-2’‘苏香粳100’‘S66’和‘松41-5’，第Ⅱ类包括‘秀水121’‘秀水114’‘秀水134’和‘松66’，第Ⅲ类为‘松早香2号’，第Ⅳ类为‘松早香1号’，第Ⅴ类为‘嘉禾218’。结合GBT 17891—1999优质稻谷质量指标，对各类品种(系)的品质性状进行分析。从表5可知，加工品质方面，在糙米率上5种类型均达二级优质稻米标准以上，其中第Ⅰ类、第Ⅱ类、第Ⅴ类达一级标准，但在整精米率上，除第Ⅰ类、第Ⅱ类达一级标准外，其余类型均未达标。外观品质方面，在垩白粒率上各类型均达优质稻米标准，其中第Ⅴ类达一级标准，第Ⅰ类、第Ⅱ类达二级标准；在垩白度上，第Ⅰ类、第Ⅱ类、第Ⅴ类达二级标准，其余未达标。蒸煮食味品质方面，在胶稠度上除第Ⅳ类未达标外，其余均达优质稻米标准，其中第Ⅰ类达二级标准；在直链淀粉含量上仅第Ⅱ类、第Ⅴ类达标，其余均未达标。

表5 不同类别稻米品质性状

Table 5 Grain quality traits of different groups

3 讨论

牛付安等[6]曾对上海市16个粳稻品种的8个品质性状进行研究，认为上海市粳稻稻米垩白性状总体表现较差。本研究中，上海市松江区13个粳稻品种(系)在糙米率、整精米率、垩白度、垩白粒率和胶稠度方面表现较好，表明该区加大了优良加工品质和外观品质粳稻品种(系)的引进与筛选力度。此外，上海市松江区13个粳稻品种(系)稻米品质性状存在较大差异，尤其在垩白度、透明度、垩白粒率方面，其变异系数均≥39.2%，仍有较大提升空间。因此，垩白度、透明度、垩白粒率仍是松江区粳稻稻米品质改良的重要方向，与许明等[7]对江苏省粳稻稻米品质分析结果一致。

稻米品质是较为复杂的综合性状，受遗传和环境因素影响[8-9]，并且稻米品质性状间存在难以调和的遗传相关。本研究中，12个稻米品质性状间也存在着错综复杂的相关性。主成分分析从12个品质性状中分离出4个主成分因子，累计贡献率达91.069%，可以较好地代表12个稻米品质性状，从而降低稻米品质分析的复杂程度。第一主成分和第二主成分的贡献率占63.447%，其中，第一主成分中糙米率、精米率、胶稠度和整精米率有较强相关性，且可以同时向好，第二主成分中垩白度、垩白粒率和透明度有较强相关性，且可以同时向好。因此，稻米品质改良中，注重对糙米率和垩白度的选择，同时协调与直链淀粉含量的关系，可以提高育种效率。

通过聚类分析将13个粳稻品种(系)聚成了5类，其中第Ⅰ类和第Ⅱ类包含了76.9%的品种(系)，表明绝大多数品种(系)具有较为相近的遗传背景，与前人研究结果一致[10-12]，反映出遗传基础狭窄可能是限制稻米品质改良难以取得突破性进展的重要因素之一。因此，今后上海市松江区稻米品质改良工作应加强优质种质资源的引进、挖掘和利用。