基于因子分析和聚类分析的红花龙胆种子质量评价

刘龙江, 吴之坤, 任得强, 周雅雪, 薛 娟, 魏升华

(1.贵州中医药大学, 贵阳 550025; 2.贵州健兴药业有限公司, 贵阳 550001)

红花龙胆(GentianarhodanthaFranch.ex Hemsl)为龙胆科龙胆属多年生草本植物,又名小龙胆草、青鱼胆草、雪里梅、凤凰花、星秀花、血龙胆、九月花等,主要分布于四川、贵州、云南等省[1]。红花龙胆为特色苗族药材,在治疗湿热黄疸、小便不利、肺热咳嗽等方面具有显著疗效[2]。以红花龙胆为原料的具有苗族特色的止咳、平喘民族中成药肺力咳胶囊/合剂等广泛用于呼吸系统多种病症的综合治疗,市场口碑良好,市场需求量逐年攀升[3-5]。红花龙胆野生药材资源日趋匮乏,红花龙胆人工种植技术亟待解决。目前红花龙胆人工种植研究所用种子还是以中间商收购的野生种子为主,种子质量差异较大,遗传背景不清,易受病虫害侵扰,严重阻碍了红花龙胆人工种植研究的进展。因此,开展红花龙胆种子质量品质评价研究很有必要,但目前尚无对红花龙胆种子质量品质评价方面的报道。通过主成分分析的方法对川党参、川白芷、棉花、知母、鹰嘴豆、黄芩等[6-11]进行了种子质量评价的研究,因子分析是主成分分析的推广和扩展,利于实际意义的解释[12]。本研究先对30个不同种源的红花龙胆种子质量品质指标进行测定,对测定结果进行描述性统计分析,并运用因子分析和系统聚类分析,对不同种源红花龙胆种子质量进行综合评价,为筛选适宜红花龙胆人工种植的优质种子提供参考。

1 材料及方法

1.1 材料来源

2021年12月开始对红花龙胆野生种质资源进行调查并采集标本及自然成熟种荚,植物标本经贵州中医药大学魏升华教授鉴定为红花龙胆,共采集了17个产地的30个种源的红花龙胆种子,详见表1。

表1 供试材料来源Table 1 Sources of tested materials

1.2 测定指标及方法

对供试材料的9个种子品质性状进行测定,其中种荚长宽径、种子长宽径用电子游标卡尺测量,千粒重及种子实验参照《农作物种子检验规程》[13]进行测定,结合上述数量关系,对种子的大小和品质进行量化。

1.3 数据处理

采用Excel软件统计数据,利用IBM SPSS Statistics 26.0软件对红花龙胆种荚长径、种荚宽径、种子长径、种子宽径、千粒重、发芽率、发芽势、发芽指数和发芽天数等进行描述性统计分析、相关性分析、因子分析、聚类分析。

2 结果与分析

2.1 描述性统计分析

由表2和表3可以看出,30个种源中,C4的种荚长径、种荚宽径、种子长径、种子宽径、千粒重、发芽率的均值最大,分别为20.88 mm、4.09 mm、1.56 mm、1.25 mm、0.175 g、98.75%;C5的发芽势、发芽指数的均值最大,分别为96%,42.30;C22的发芽天数的均值最短(8 d);C29的种荚长径的均值最小(15.58 mm);C19的种荚宽径的均值最小,为2.59 mm;C16的种子长径、种子宽径的均值最小,分别为1.08 mm、0.83 mm;C19的千粒重的均值最小,为0.092 g;C30的发芽率、发芽势、发芽指数、发芽天数的均值最差,分别为10%,3%,1.02,18.5 d。

表2 不同种源红花龙胆种子特性Table 2 Seed characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

表3 不同种源红花龙胆种子萌发特性Table 3 Seed germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl from different provenances

2.2 相关性分析

对红花龙胆种子质量各指标进行正态性检验,满足正态性,进而进行相关性分析。结果(表4)表明,种荚宽径与种子长径、种子宽径和千粒重呈正相关,相关系数分别为0.710,0.806,0.668,差异达极显著水平;种子长径与种子宽径、千粒重呈正相关,相关系数分别为0.858,0.666,差异达极显著水平;种子宽径与千粒重呈正相关,相关系数为0.520,差异达极显著水平;发芽率与发芽势、发芽指数呈正相关,相关系数分别为0.803,0.718,差异达极显著水平;发芽率与发芽天数呈负相关,相关系数为-0.548,差异达极显著水平;发芽势与发芽指数呈正相关,相关系数为0.938,差异达极显著水平;发芽势与发芽天数呈负相关,相关系数为-0.740,差异达极显著水平;发芽指数与发芽天数呈负相关,相关系数为-0.666,差异达极显著水平。

表4 红花龙胆种子特征与发芽特性的相关性Table 4 Correlation between seed characteristics and germination characteristics of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl

2.3 因子分析及综合评价

2.3.1因子分析

剔除与其他指标存在弱相关的种荚长径,用红花龙胆种子的发芽率、发芽势、发芽指数、发芽天数、千粒重、种子长径、种子宽径和种荚宽径等8个指标进行因子分析(KMO统计量值为0.603>0.6;巴特利特球形检验结果为p<0.01,满足进行因子分析的条件)。由表5可知,前2个主因子的累积贡献率为79.632%,表明前2个主因子能解释红花龙胆种子质量性状总体79.632%的变异,可用前2个主因子对其进行综合评价。第1主因子的特征值为3.243,贡献率为40.535%,决定第1主因子的主要是发芽率、发芽势、发芽指数及发芽天数,称为发芽特性因子,第2主因子的特征值为3.128,贡献率为39.097%,起决定作用的是千粒重、种子长径、种子宽径及种荚宽径,称之为种子特性因子。

表5 种子性状主成分分析Table 5 Principal component analysis for seed traits

2.3.2综合评价

借助回归法对特征根和旋转后的因子载荷系数进行计算,以估计2个主因子在不同种源红花龙胆种子质量的因子得分,以权衡每个主因子在每个种源种子质量上的位置和分量,以便直观地判断种子质量的优劣。由表6可知,C5的F1(发芽特性因子)最高(2.2),C30的F1(发芽特性因子)最低(-2.817),C4的F2(种子特性因子)最高(2.688),C19的F2最低(-1.87)。以各主因子的贡献率为权重进行线性加权求和,可得到各种源红花龙胆种子质量的综合得分,表达式F=40.535/79.632×F1+39.097/79.632×F2,由表6可知,综合得分排名C4最高(1.772),C30最低(-1.437)。

表6 不同种源红花龙胆种子质量的综合得分Table 6 Comprehensive score of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seed quality from different provenances

2.4 系统聚类分析

利用F1和F2特性因子得分对供试材料进行系统聚类分析,当阈值处于8时可将30个种源分成四类。从图1可以看出,第Ⅰ类为综合得分最高的的种源、种子特性得分最高、发芽特性得分一般,由C2、C4样品组成;第Ⅱ类为综合得分较高的的种源,发芽特性得分最高、种子特性得分一般,由C5、C13、C21和C22样品组成;第Ⅲ类为综合得分一般的种源,发芽特性得分一般,种子特性得分一般,由C1、C3、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29样品组成;第Ⅳ类综合得分最差,发芽特性得分最差,种子特性得分最差,由C30单独组成。

图1 红花龙胆种子2项指标系统聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 2 index systems of Gentiana rhodantha Franch. ex Hemsl seeds

3 结论与讨论

3.1 单一品质性状评价红花龙胆种子质量

种子的发芽率、发芽势、发芽指数、发芽天数、单荚种子数均值、千粒重、种子长度、种子宽度、种荚长度及种荚宽度等可作为评价种子质量的指标,通过平均数加减标准差法比较种子质量,指标不同种子质量就不同[14-15]。本研究结果表明,以种荚长径、种荚宽径、种子长径、种子宽径、千粒重、发芽率评价种子质量,C4最好,而以发芽势、发芽指数进行评价则C5最大,以发芽天数衡量则C22最好。

3.2 红花龙胆种子质量综合评价

本试验中,红花龙胆种子特性指标和发芽特性指标之间相关性弱,优良的种子既要发育充实、大而重,所含养分较多,又要较高的发芽势和发芽率。因此,单一指标无法准确对红花龙胆的种子质量进行全面评价,必须应用多个指标进行质量综合评价,这与刘钰萍等[16]和张帆等[17]认为的基于主成分分析和聚类分析的综合评价与单一指标评价方法相比,更适合判断事物内在本质,更为科学、可行。性状之间存在复杂的关联性,因此导致性状间提供的信息出现相互重合,会对综合评价造成干扰[18-20]。本研究所测定的 9 个红花龙胆种子质量指标并不是完全独立的,除了种荚长径外,各指标间存在极显著的相关性。在多指标分析中,指标的个数多,又有相互关联,分析工作比较困难,多元统计的主成分分析是指在不损失或很少损失原有信息的前提下,将原来个数较多而且彼此相关的指标转换为新的个数少而彼此独立或不相关的综合指标,从而简化多指标分析,利用主成分进行综合评价是一种有效的方法[21-22]。本研究利用比主成分分析更好解释的因子分析,在剔除与其他指标相关性弱的种荚长径指标后,最终将确定8个指标转化为彼此不相关的2个主因子,即种子特性因子、发芽特性因子,累积贡献率达79.632%,对2个主因子进行加权计算综合得分后进行综合评价。在这个基础上进行系统聚类分析,系统聚类分析将30个种源分为四大类:第Ⅰ类种子综合评价得分和种子特性得分最高,可作为发展红花龙胆人工种植的首选种子来源,但该类群发芽特性不是最好的,可能和其自然成熟度有关,可开展提升其发芽特性的研究;第Ⅱ类发芽特性得分最高,可作为红花龙胆人工种植的备选种子来源;第Ⅲ类和第Ⅳ类种子,综合评价得分、种子特性得分、发芽特性得分均一般,但是其抗逆性、结实率、药材质量等其他指标未知,可对其进行进一步研究。