基于主成分分析的酿酒葡萄杂交后代果实品质评价

王小龙，史祥宾，冀晓昊，王宝亮，张艺灿，王海波*

（中国农业科学院果树研究所/农业农村部园艺作物种质资源利用重点实验室/辽宁省落叶果树矿质营养与肥料高效利用重点实验室，辽宁兴城 125100）

酿酒葡萄在种植地区的品质表现是决定其商品价值的关键，可作为该品种适应性评价及推广的重要依据[1]。近年来，我国酿酒葡萄产区逐渐向东北和西北地区推进，对现有酿酒葡萄品种的抗寒性和品质提出了更高的要求。因此，本研究选择具有优质、丰产特性的‘美乐’作为父本，抗寒性较强的‘华葡1号’为母本进行杂交，通过对其杂交后代果实品质的综合评价，筛选出优质、抗寒的酿酒葡萄新品种。葡萄酒的品质是由酿酒原料决定的，酿酒葡萄果实外在品质包括百粒质量、皮果比、籽果比等，内在品质主要包括糖、酸、总酚、黄烷醇、花色苷、总黄酮、单宁等指标。葡萄酒风味与果实的糖酸比、酚类物质、香气物质浓度直接相关[2]。糖酸组成决定葡萄果实的口感与风味，直接影响葡萄酒的酒体结构与感官品质。酚类物质是葡萄酒最重要的风味物质之一，包括总酚、黄烷醇、单宁、总黄酮、花色苷等物质，影响葡萄酒的口感、颜色和生理活性功能[3]。由于不同品质指标之间既相互独立，又存在着一定的相关性，因此亟需构建科学的评价体系对酿酒葡萄综合品质进行评价。目前，常用的果实品质评价方法有方差分析[4]、感官评定[5]、主成分分析[6]、相关性分析[7]、聚类分析[8]等。其中，主成分分析能够将原来的多个指标转化成数目较少的综合指标，用较少的指标来反映原有的信息，在果实品质分析中被大量应用。研究通过方差分析、相关性分析及主成分分析法综合评价了不同杂交后代的优劣性，以期为筛选抗寒优质的酿酒葡萄品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年9月在中国农业科学院果树研究所温泉基地进行。试验点地处北温带亚温润性气候区，年平均气温8.7 ℃，年平均降水量600 mm，雨热同季，无霜期175 d。以2017年定植‘贝达’砧木嫁接的酿酒葡萄‘华葡1号×美乐’杂交后代为研究对象，单干双臂架型，株行距为2 m×2 m。共选择12个杂交后代株系，编号：XC1，XC2，XC5，XC6，XC7，XC8，XC13，XC14，XC18，XC19，XC20，XC22。

1.2 测定指标

于2020年9月20日成熟期取样，每处理随机选取30个果穗，从果实的上中下各部位随机采集果粒720粒，用于测定粒质量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH、可滴定酸、皮/籽总酚、花色苷、皮/籽总黄酮、皮/籽黄烷醇、皮/籽单宁。可溶性固形物的测定采用手持测糖量计，可滴定酸的测定采用电位滴定仪，用pH计测定果汁pH值。皮果比、籽果比分别是果皮与果实质量比和籽粒与果实质量比，以30粒为1组，剥离果皮和种子并称量，按照定义进行计算。葡萄果皮和葡萄籽总酚、花色苷、总黄酮、黄烷醇、单宁物质的提取和含量测定参照苏鹏飞[9]方法，以上所有测定指标均进行3次生物学重复。

1.3 数据分析

采用Excel 2007软件进行数据整理，并计算得出平均值、标准差和变异系数。运用SPSS 22.0软件进行方差分析、相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 不同株系果实品质的比较

由表1可知，12个株系的外观指标和内在品质均存在显著差异。XC5百粒质量最大，为239.30 g，显著高于其它株系。XC19的皮果比为17.14，XC14和XC20的籽果比均为8.29，显著高于其他株系。XC14和XC8可溶性固形物较高，分别为22.50%和21.90%，与其它株系呈显著性差异。XC7的pH为4.28，显著高于其他株系，XC14的pH最低为3.26。各株系的可滴定酸分布在0.24%～1.03%。有研究表明，葡萄果皮和种子的酚类物质含量远超过果肉，且是葡萄酒中的酚类物质主要来源[10]。酚类物质最高含量在各株系中表现相似，XC2的皮总酚（28.31 mg/g）、皮黄烷醇（185.67 mg/g）、皮单宁（13.51 mg/g）均显著高于其他株系。XC8的籽总酚（64.29 mg/g）、籽黄烷醇（836.63 mg/g）、籽总黄酮（53.58 mg/g）均显著高于其他株系。XC1花色苷含量最高，为12.750 mg/g，XC2、XC7、XC14之间无显著差异，其它株系之间均存在显著差异。

2.2 不同株系果实品质变异系数分析

变异系数是指不同个体的性状受不同环境条件的影响而发生的变异程度，它能反映果实性状变化的基本动态。由表2可知，12个葡萄株系果实品质变异程度很大，变异系数在8.29%～89.62%。酚类物质的变异系数普遍高于外观品质和糖酸品质。其中，籽单宁的变异系数最大，为89.62%，皮单宁较大为69.94%；其次是皮黄烷醇的变异系数为63.67%，说明不同株系间这两项指标性状变异大，有着丰富的遗传多样性。百粒质量、皮果比、籽果比、可溶性固形物、pH几个指标的变异系数较小，分别为19.49%、21.71%、21.25%、11.05%、8.29%，说明株系间这些品质性状差异小，遗传较为稳定。

表2 不同株系果实品质变异系数Table 2 Variation coefficient of fruit quality in different lines

2.3 葡萄果实不同品质相关性分析

通过以上分析可知，利用多个果实品质指标对不同株系果实品质进行评价难以选择出最佳优系，因此需要建立一个合理的评价体系来进行统一评价。由表3可知，各品质指标间存在着一定的相关性，外在品质和糖酸品质与其他品质间呈显著或极显著负相关。百粒质量与可溶性固形物呈显著负相关，与花色苷极显著负相关。皮果比与皮总酚极显著负相关。籽果比与籽总酚、籽总黄酮、籽单宁显著负相关，与籽黄烷醇极显著负相关。pH与可滴定酸呈显著负相关。酚类物质各成分间呈显著或极显著正相关。皮中的总酚与总黄酮显著正相关。籽总酚与皮/籽黄烷醇、籽总黄酮、皮单宁显著正相关，与皮总黄酮极显著正相关。皮黄烷醇与皮/籽总黄酮显著正相关，与皮单宁极显著正相关。籽黄烷醇与籽总黄酮和籽单宁极显著正相关。花色苷与皮总黄酮显著正相关。皮总黄酮与皮单宁、籽总黄酮和籽单宁均极显著正相关。由此可见，杂交后代果实品质之间呈现一定的相关关系，由此造成对果实品质进行评价时会产生信息重叠现象，因此可以采用主成分分析法对评价指标进行降维，进一步评价果实品质。

表3 葡萄果实不同品质相关性Table 3 Correlation of different fruit qualities

2.4 葡萄果实品质主成分分析

对12个株系的果实品质指标数据进行主成分分析。如表4所示，以特征值＞1为标准，共提取了4个主成分。前4个主成分对综合品质的累积贡献率已达到84.59%（＞80%），说明在变量不丢失的前提下，这4个主成分包含原始数据84.59%的信息，可以代表原来的15个品质指标进行分析和评价。其中第1个主成分的代表指标为籽总酚（0.83）、籽黄烷醇（0.81）和籽总黄酮（0.82），特征值为5.33，贡献率为35.52%，是最重要的主成分，反映了葡萄籽粒中酚类含量。第2个主成分的代表指标为皮总酚（0.89）、皮总黄酮（0.78）、花色苷（0.76）和百粒质量（﹣0.77），特征值为3.99，贡献率为26.57%，主要反映了果皮酚类含量和果实大小。第3个主成分的代表指标为可溶性固形物（﹣0.63），特征值为1.80，贡献率为12.02%。第4个主成分的代表指标为pH（﹣0.59），特征值为1.57，贡献率为10.48%。第3和4主成分主要反映了果实风味。综上所述，果实外观品质（百粒质量）和内在品质（可溶性固形物、pH、皮/籽总酚、籽黄烷醇、皮/籽总黄酮、花色苷）是评价酿酒葡萄果实品质的重要性状指标。将因子得分以方差贡献率为权数进行加权求和，得到各株系果实品质综合得分（表5）。由此可见，XC8和XC2果实品质在辽宁地区表现最佳。

表4 葡萄果实品质主成分载荷矩阵和方差贡献率Table 4 Principal component load matrix and variance contribution rate of fruit quality

表5 主成分因子得分及果实综合品质得分Table 5 Principal component factor score and fruit comprehensive quality score

3 讨论与结论

酿酒葡萄中的糖和酸是决定葡萄品质的重要因素，同时作为初生代谢物，也影响着葡萄的次生代谢活动[11]，其中糖是基础，最终决定葡萄酒的酒度。XC14和XC8可溶性固形物含量较大，分别为22.50%和21.90%，均显著高于其他株系。酚类物质是葡萄次生代谢过程中产生的一类重要化合物，主要包括总酚、黄酮类、花色苷、黄烷醇、单宁等，在葡萄果皮、种子中大量存在[12]。酚类物质与酒中的蛋白质、多糖相互作用，参与葡萄酒的口感、骨架、结构和色泽等品质的形成[13]，对葡萄酒的风味特征和品质具有重要影响。12个株系中，葡萄籽中的酚类物质普遍高于果皮，与张娟[3]和孙树霖[14]得出的果皮中酚类物质含量最高的结论不一致，可能是受遗传特性及外界环境的共同影响所致[15]。本研究中，酚类物质最高含量在各株系中表现相似，XC2的皮总酚和皮黄烷醇均显著高于其他株系，XC8的籽总酚和籽黄烷醇均显著高于其他株系。总黄酮物质在果皮和种子中含量较高，是葡萄酒品质的关键因素[16]。XC2和XC8皮总黄酮间无显著差异，但明显高于其他株系，XC8的籽总黄酮均显著高于其他株系。红葡萄酒的颜色主要来源于果皮，其中的花色苷不仅提供葡萄酒的颜色，对葡萄酒的澄清度、稳定性等有重要作用[17]。XC1花色苷含量最高为12.75 mg/g，XC2、XC7、XC14之间无显著差异，其他株系之间均存在显著差异。单宁的含量决定葡萄酒的口感结构[18-19]，XC2的皮单宁和XC5的籽单宁含量最高，分别为13.51 mg/g和22.86 mg/g，均显著高于其他株系。

刘春艳[7]对7个酿酒葡萄果实的12个品质性状进行分析发现，果实性状的变异系数达4.43%～73.30%。蔡军社[20]研究发现，不同树龄‘赤霞珠’果穗质量性状的变异系数分布在26.50%～37.24%。本研究中，不同株系间各项品质指标间差异显著，12个杂交后代株系变异程度较大，为8.29%～89.62%。酚类物质的变异系数普遍高于外观品质和糖酸品质，说明酚类物质具有较丰富的遗传多样性。果实品质相关性结果表明，外在品质和糖酸品质与其他品质间呈显著或极显著负相关，酚类物质中各成分间呈显著或极显著正相关。

主成分分析是一种将原来个数较多且彼此相关的果实品质指标转化为新的个数较少且彼此独立或不相关的综合指标的分析方法[21]。研究通过主成分分析，12个株系果实品质的15项指标可转化为4个相互独立的综合指标，其特征值均＞1，累积贡献率达到84.59%，可反映果实品质性状的大部分信息。主成分指标之间是综合的、相互独立的，避免原始信息之间的重叠干扰，符合分析要求。研究中，第1个主成分的代表指标为籽总酚、籽黄烷醇和籽总黄酮，第2个主成分的代表指标为皮总酚、皮总黄酮、花色苷，与孙树霖[14]将酿酒葡萄果实中酚类含量主要差异简化为果皮和种子中酚类物质含量的结果一致。由上述可知，株系XC8可溶性固形物高达21.9%，均显著高于其他株系（XC14除外），且籽总酚和籽黄烷醇均显著高于其他株系，皮总黄酮显著高于其他株系（XC2除外），籽总黄酮均显著高于其他株系。结合各株系主成分得分和排序，认为株系XC8综合表现最佳。