基于因子分析和聚类分析的花椰菜种质矿质元素含量评价①

袁建民 何 璐 木万福 麻继仙 孔维喜 杨晓琼 许智萍

(云南省农业科学院热区生态农业研究所/元谋干热河谷植物园 云南元谋651300)

花椰菜（Brassica oleraceavar．botrytisL．）是世界上最重要的蔬菜作物之一，也是人类从饮食中获取植物化学类生物活性物质的重要来源［1-2］。花椰菜主要以花球为食用器官，富含维生素、纤维素、矿物质及胡萝卜素类、黄酮类、酚酸类等生物活性物质［3］，营养丰富，味道鲜美，具有防癌抗癌［4-5］的作用，深受消费者的青睐，被誉为“天赐的良药”“穷人的医生”。据联合国粮农组织（FAO）数据统计，全球花椰菜栽培面积正逐年增加。近年来，随着中国蔬菜总产量的持续递增，消费者对品质关注度日益增强，蔬菜品质正成为其市场竞争力的核心因子。然而，目前蔬菜品质评价大多仍局限于外观品质［6］、风味品质［7-8］、酸甜度［9］、维生素［10-11］等，而对内部品质如矿质元素含量等关注不够。由于人体必需的矿质元素大多从果蔬中获得，因此矿质元素含量对蔬菜品质的形成具有同等重要作用和不可替代性［12-13］。

据统计，目前全球约有2/3的人口存在缺乏一种或多种矿质元素，而在发展中国家此问题更严重［14］。现代医学研究表明，人类中绝大多数疾病都与缺素息息相关，因为缺素会引起人体平衡失调，易导致一些罕见疾病［15-17］。花椰菜中富含K、Ca、Na、Mg、P、Fe、Mn、B、Cu、Zn 等元素，是矿质元素获取的重要来源。前人研究表明，不同类型花椰菜（紫花菜、松花菜、紧花菜）中K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn、Ca、Mg 等矿质元素含量十分丰富，且不同品种间含量差异较为明显［18］。但已有研究涉及材料较单一，测定指标有限，评价不够系统。目前，聚类分析和因子分析已被广泛应用于多样品多指标的品质分析中，但其应用于花椰菜矿质元素含量分析的研究较少。

云南省农业科学院热区生态农业研究所开展花椰菜新品种选育研究10 多年，收集保存花椰菜种质400余份，育成多个花椰菜新品种。为更深入地了解花椰菜的矿质元素含量及组成，探讨不同类型花椰菜花球中矿质元素含量分布规律，本研究以8份不同类型具有代表性的花椰菜种质花球为试材，采用水平分析、相关性分析、聚类分析和因子分析等统计方法研究花椰菜花球中19 种矿质元素含量特征，以期为花椰菜的营养质量评价、新品种选育及开发利用等提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 花椰菜种质资源

试验于2018 年6～12 月在云南省农业科学院热区生态农业研究所进行。供试材料为8 个花椰菜，包括紧花菜、松花菜和青花菜（表1）。6月10日穴盘播种育苗，7 月下旬定植于塑料大棚，常规栽培管理。11月7日田间采集成熟期花球样品，完全随机设计，每个重复5 株，3 次重复，采后70℃烘干，粉碎机研磨，过1 mm 筛后待上机测试。所有材料均由云南省农业科学院热区生态农业研究所蔬菜研究中心提供。

表1 供试8份花椰菜种质材料

1.1.2 试验地概况

研究区属于云南省元谋县干热河谷区域，地处滇中高原北部，东经101.35°～102.06°，北纬25.23°～26.06°，平均海拔1 350 m。年平均温度21.5℃，无霜期305～331 d，年降雨量611.3 mm，降雨集中在5～9月，其他月份少雨或无雨。光热资源充足，年平均日照时数7.3 h/d。土壤为砂壤土，土壤容重1.44 g/cm3，田间持水量为19.42%，pH 6.4，土壤有机碳0.61%，全氮0.05%，碱解氮39 mg/kg，全磷0.188 mg/kg，有效磷30.38 mg/kg，全钾7.44 mg/kg，速效钾129 mg/kg。

1.1.3 仪器和试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪（PQ-9000，德国耶拿）；微波消解仪（Milestone Ethos up，意大利迈尔斯通）；超纯水仪（UPH-IV-20T，中国优普）；1/10 000分析天平（ATX224，日本岛津）；行星式球磨机（QM3SP，南京驰顺）；电热恒温鼓风干燥箱（GZX-9140MBE，上海博讯）；移液枪（RAININ，美国瑞宁）；浓硝酸（优级纯，重庆川东化工）；30%过氧化氢（优级纯，天津市化学试剂）；超纯水（电阻率≥18.2 MΩ·cm）；氩气纯度（≥99.999%）；多元素混合标准溶液及K、Ca、Na、P、S、Se、Si、Mo 等单个元素标准溶液，购自国家有色金属及电子材料分析测试中心。试验用水均为超纯水，所有玻璃器皿均用10%硝酸浸泡24 h，然后用超纯水清洗，烘干备用。

1.2 方法

1.2.1 试验方法

参考袁建民等［19］的方法。称取干样0.200 0 g，置于微波消解罐中，加入6 mL 浓硝酸和2 mL 双氧水，按照设定好的消解程序进行微波消解（表2）；消解完毕后，赶酸3～4 h，以少量2% HNO3洗涤2～3次，消解液定容至50 mL，用0.45 μm 滤膜过滤，上机测试。利用电感耦合等离子体发射光谱仪测定各矿质元素含量。

表2 微波消解程序

1.2.2 数据处理

采用Excel软件对不同花椰菜种质花球中各元素含量的数据进行初步整理，利用SPSS V 20.0 软件对各矿质元素含量进行水平分析、Pearson 相关性分析、因子分析和聚类分析。因子分析是先将数据经Z 分数标准化处理，然后进行KMO 和Bartlett 球形度检验，再采用主成分法提取公因子，采用最大方差法进行因子旋转，最后输出结果；聚类分析主要采用系统聚类中的组间连接法，以欧氏距离为遗传距离进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 矿质元素含量的水平分析

8 份花椰菜种质花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co、Se、Mo、Cd 共19 种矿质元素分析检测结果（表3）显示，Se、Mo、Cd 元素均未检出，故对剩余16 种元素进行基本描述性统计分析。结果表明，所测的K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 种元素在不同种质花球中的含量存在极显著差异（p＜0.01）。

花球中各矿质元素含量的最小值、最大值、平均值、标准偏差、标准误差、变异系数见表4。结果表明，在所测得的16 种元素中，K 的含量最高，Pb的含量最低。K、P、Ca、Mg、S是花椰菜花球中的主要矿质元素，其次是Fe、Mn、B、Zn、Na元素，Cu、Ni、Cr、Pd、Si、Co含量较低。

一般认为，变异系数（CV）≥100%为强变异，10%＜CV＜100%为中等变异，CV＜10%为弱变异。本研究中16 种矿质元素含量的变异系数范围为3.39%～70.39%，平均值为27.31%，属中等变异强度。不同种质中Si 的含量差异最大，变幅在0（C18315）～16.07 mg/kg（C18261），平均值为8.72 mg/kg，变异系数达70.39%，明显高于其它矿质元素。

2.2 矿质元素含量间的相关性分析

Pearson 相关性分析结果（表5）表明，花球中矿质元素含量间存在复杂的正相关或负相关关系。16 个元素中，K 与Pb 之间含量存在显著正相关；P与S呈显著正相关，P与Zn呈极显著正相关；Ca与Mg、S之间呈显著正相关，Ca与B呈极显著正相关；Mg 与B 之间呈显著正相关；S 与B 之间呈极显著正相关；Fe 与B 之间呈显著负相关，Fe 与Na呈极显著正相关，Fe 与Si 呈显著正相关；Zn 与Si呈显著负相关；其他元素之间相关性不显著。其中，Ca与B之间的相关系数最高（0.930），说明花球中Ca和B含量之间高度相关。

简单相关性分析只是对有联系的2个元素表面关系密切程度的衡量，为揭示多个矿质元素之间内在联系则有必要利用多元统计分析。

2.3 矿质元素含量的聚类分析

聚类分析是根据样品间具有的相似性或差异性指标，进行亲疏关系的类别划分，目的在于使类间各样品的同质性最大化，而类与类间样品的异质性最大化。

表3 不同花椰菜种质花球中19种矿质元素含量平均值 单位：mg·kg-1 DW

表4 花椰菜花球中16种矿质元素含量的描述性统计

以不同种质为自变量，16 种矿质元素含量为因变量，采用系统聚类中的组间连接法，以欧氏距离为遗传距离，对8 份花椰菜种质进行聚类分析，结果见图1。

结果表明，在欧氏距离约为7.0时，16种矿质元素可将8 份花椰菜种质划分为3 类。结合图1 和表3 可知，第一类包括C18315、C18267、C18259、C18359、C18301共5份种质，既有松花类型，也有紧花类型，主要表现为K、Na、Fe含量较高，可作为亲本选育高K的品种；第二类只包括C18261，属于松花类型，主要表现为Si 含量较高，而Ca、P、Mn、Zn、Na、Cr、Pb 含量较低，可作为亲本选育高Si 的品种；第三类包括C18282 和2 号，均为青花菜，说明青花菜和通常的花椰菜（花球白色）矿质元素含量之间存在较大的差异，其主要表现为Ca、S、B 含量较高，而Pb 含量较低，可以作为亲本选育高Ca、S、B和低Pb的品种。

表5 花椰菜花球中矿质元素含量的Pearson相关性分析

2.4 矿质元素含量的因子分析

因子分析是实现降维的一种统计分析方法，可在许多变量中找出隐藏的具有代表性的因子，以较少的几个因子反映原资料的大部分信息。本研究以不同种质为自变量，16 种矿质元素含量为因变量，采用主成分法提取公因子，采用最大方差法进行因子旋转，对花椰菜不同种质花球中16种矿质元素含量进行因子分析（表6）。结果表明，前3 个公因子累积方差贡献率为76.00%，说明这3个公因子基本可以反映全部指标的信息。

为了能更好地解释变量，需要进行因子旋转，使每个因子的载荷值尽量向0 和1 转化。因子载荷值的绝对值越大，说明其贡献越大，相关的密切程度越高。由表7可知，第一因子（F1）主要与Ca（载荷值0.88）、S（载荷值0.93）、B（载荷值0.87）显著相关；第二因子（F2）主要与Mn（载荷值0.90）、Na（载荷值0.82）显著相关；第三因子（F3）主要与Cr（载荷值0.82）显著相关。以上6个因子载荷均为正值，为正向分布，说明因子得分越高，其相应的矿质元素含量也就越高。另外，由于37.48%的方差贡献率来自第1 主因子，20.66%的方差贡献率来自第2 主因子，17.86%的方差贡献率来自第3 主因子（表6），因此认为，Ca、S、B、Mn、Na 和Cr 元素为花椰菜花球中的特征性矿质元素。

通过各因子的特征值和载荷值，计算出各种质样品的公因子得分、综合得分及排名（表8）。结果表明，8种花椰菜种质中因子F1得分最高的是C18282 和2 号，说明其Ca、S 和B 含量较高；因子F2得分最高的是C18301和C18359，说明其Mn和Na含量较高；因子F3 得分最高的是C18267，说明其Cr 含量较高。8 种花椰菜种质的综合排名依次为C18282＞2 号＞C18359＞C18267＞C18315＞C18259＞C18301＞C18261。可见，在相同的立地条件和管理水平下，花椰菜花球中矿质元素含量具有明显的种质差异性，这为花椰菜的品种选育和平衡施肥提供了依据。

3 讨论

蔬菜中矿质元素含量和土壤养分含量密切相关，同时也受植物自身营养吸收、转运、分配、积累等多种因素影响［20-21］。研究证实，同一种矿质元素在不同类型、不同品种（品系）蔬菜中的含量差异较大［22］。如花椰菜中Ca和Mg含量为松花菜＞紫花菜＞紧花菜，K、Na、P、Cu、Fe、Mn、Zn 含量为紫花菜＞松花菜＞紧花菜［18］；青花菜中自交系与杂交种Ca和Mg含量差异较大［20］，马铃薯栽培品种和地方品种间K、P、Na、Mg、Ca、Cu、Fe、Mn、Zn 含量差异显著［23］。另外，不同栽培条件下同一品种矿质元素含量差异也较大。如番茄有机栽培与传统栽培条件下Al、Cu、Fe、Mn、Zn等矿质元素含量存在显著差异［24］。元素含量的差异会影响生物学价值，深入研究不同种质对元素组成的影响对于育种工作者来说至关重要［21］。为此，近年来许多研究者利用矿质元素含量的差异开展农产品产地溯源及质量鉴别等研究［25］。李平惠等［26］测定了来自依安县和拜泉县2 个地域54 份芸豆样品中31 种矿质元素的含量，结果表明，不同地域间的芸豆中25 种矿质元素含量存在显著差异。类似的研究还在辣椒［27］、大葱［28］、洋葱［29］等农产品上开展。

表6 花椰菜花球中16种矿质元素的因子分析

表7 旋转后的因子载荷矩阵

表8 花椰菜种质16种元素因子分析的综合得分与排名

本研究中，不同类型花椰菜种质花球中K、P、Ca、Mg、S、Fe、Mn、B、Zn、Cu、Na、Ni、Cr、Pb、Si、Co 共16 种元素均存在极显著差异，变异系数为3.39%～70.39%。花椰菜（白色）矿质元素平均含量为：K＞S＞P＞Mg＞Ca＞Na＞Fe＞Zn＞B＞Mn＞Cr＞Cu＞Si＞Ni＞Co＞Pb；而青花菜矿质元素平均含量为：K＞S＞P＞Ca＞Mg＞Na＞Zn＞B＞Fe＞Mn＞Cu＞Ni＞Cr＞Co＞Si＞Pb。本试 验 中采集的花椰菜花球样品均来自同一温室大棚，立地条件、施肥水平、管理模式、采收时期等均一致，消除了环境因子的影响。因此，不同花椰菜花球中矿质元素的差异来源于类型及品种（品系）。

分析蔬菜果实中养分的相关性，有助于了解元素间可能存在的内在联系，为均衡施肥、平衡施肥、实现优质高产提供数据参考。研究认为，果实中矿质元素含量间既存在相互促进作用，也存在拮抗作用，还存在补充替换关系［30］。本试验结果表明，花椰菜花球中矿质元素含量间存在复杂的正相关或负相关关系，如Ca 和B 极显著正相关，这和Fallahi 等［31］的研究结果相一致；而Fe与B 间呈显著负相关，这与匡立学等［12］在葡萄果实中的研究结果不一致。这主要是由于果实中矿质元素含量受自身遗传特性及多种环境因子综合影响。

花椰菜果实中元素间的相关性还有助于筛选优良种质。如本研究中选择1 个Ca 含量高的种质，其Mg、S、B含量也可能高；但是选择1个K含量高的种质，同时其Pb 含量也可能高。相关性分析仅仅说明了同一时间点两元素间的简单关系。本研究中青花菜的Ca 和S 含量明显高于紧花菜和松花菜，表明青花菜是人类饮食中潜在的Ca 和S 元素重要来源。因此，种质性状的综合评估至关重要，在今后育种工作中，不仅要致力于提高果实营养品质，还应重视减少有害元素的存在［21］。

目前，因子分析和聚类分析已被广泛应用于辣椒［32］、茄子［33］、苹果［34］、杧果［35］、锥栗［36］等果蔬品质分析中。因子分析可在众多变量中找出潜在的具有代表性的共性因子，其前提是变量间需存在一定的相关性。本研究中花椰菜花球中矿质元素间具有复杂的相关性，通过因子分析可将16 种矿质元素指标进行简化，最终筛选出Ca、S、B、Mn、Na和Cr元素作为评价花椰菜花球营养品质的特征性矿质元素。进一步分析得出，C18282、2号、C18359 和C18267 这些花椰菜种质综合得分排名靠前，具有潜在利用价值。

聚类分析是通过数据建模简化数据的一种数学方法，其分类结果客观、科学，主观因素少，可同时对大量性状进行综合考察评价［37］。本研究利用系统聚类法将8 份花椰菜种质分为3 类，第一类包含5 份种质，主要表现为K 含量较高，可作为亲本选育高K的品种；第二类只包含C18261，为松花类型，该类种质Si 含量较高，可作为亲本选育高Si 的品种；第三类包含C18282 和2 号，均为青花菜，该类种质Ca、S、B 含量较高，而Pb 含量较低，可作为亲本选育高Ca、S、B 和低Pb 的品种。因此，不同类别间存在明显差异，表明此分类结果科学有效。聚类分析结果可为花椰菜种质的不同用途提供数据参考。