寒地沙棘种质资源果实品质分析与综合评价

王珊珊，张 萍，张冰冰，赵晨辉，李红莲，宋宏伟※，梁英海※

（1.吉林省农业科学院果树研究所，公主岭 136100；2.吉林省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，长春 130033）

0 引言

沙棘（Hippophae rhamnoidesL.）属胡颓子科沙棘属落叶灌木或小乔木[1]。中国是世界沙棘资源第一大国[2]，沙棘耐旱、耐瘠薄、耐盐碱，是防风固沙、保水保土、改良土壤的优良树种[3-4]。沙棘果实中富含维生素C、维生素E、类胡萝卜素、糖类、有机酸类、黄酮类等上百种生物活性物质，这些物质对人体免疫系统、血液系统、心脑血管系统和消化系统等都具有广泛的药理作用，还具有抗氧化、抗炎、防辐射和防过敏等功效[5-7]。沙棘作为一种具有重要经济、生态价值的资源，其研究和开发利用越来越受到人们的重视[8-11]。

果实品质是新品种选育与生产的重要指标之一，而依赖于单一性状或少量品质性状指标，所提供资源评价信息较为有限。沙棘种质资源评价是其有效利用的基础，现已开展了沙棘重要农艺学性状[12-13]、抗逆性状[14-16]等评价研究。其中，在果实品质方面，多为沙棘营养保健和药用成分鉴定评价研究[17-20]，沙棘果实品质性状研究较少[21-22]，主要集中在果实大小、百果质量等外观品质性状，缺少可溶性固形物含量、可溶性糖含量、可滴定酸含量和抗坏血酸含量等重要风味和营养品质指标。

近年来，基于主成分分析构建综合评价模型，可以对果实品质进行科学、合理地分析与评价，现已应用于苹果、蓝莓、青皮红心柚等[23-27]多种果树上。目前，在沙棘果实品质评价方面研究较少，方贵平等[28]基于主成分分析构建综合品质评价模型，评价了中国沙棘、宇璐沙棘、蒙古沙棘和阿勒泰大果沙棘的4 份沙棘资源。现有研究报道中沙棘品质综合评价所涉及的品种和品质性状数量均较少，而且未结合多种分析方法开展综合评价研究。为了进一步探讨基于主成分综合评价模型和聚类分析等多种评价方法，推进寒地沙棘资源精准化和规范化评价研究，本文以22 份寒地沙棘种质资源果实的百果质量、可溶性固形物含量、抗坏血酸含量等10 项果实品质指标为供试数据，应用变异分析、相关性分析、主成分分析、聚类分析等多种分析方法，明确各指标间的相互关系，分析各供试资源果实品质特性，构建综合评价模型，对供试资源果实品质进行综合评价，筛选优异寒地沙棘种质资源，以期为沙棘资源利用与新品种选育提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

供试材料采自国家寒地果树种质资源圃（公主岭），（124.865°E，43.492°N），包括‘辽阜1 号’、‘实优1 号’、‘实优2 号’、‘齐棘2 号’、‘绥棘2 号’、HS-4、HS-6、HS-10、HS-12、‘壮圆黄’、‘植物园’、‘向阳’、‘楚伊’、‘优胜’、‘火光’、‘泽梁’、‘侍丛’、蒙1、‘乌兰格木’、‘深秋红’、‘泽良女’和‘小柳树’。分别于2020 年7—8 月和2021 年7—8 月，在果实成熟后，选择具有代表性的植株3 株，选取大小一致、着色均匀、无病虫害的果实。每份沙棘资源每株随机取样100 个果实，每株取样果实作为一次生物学重复，共3 次生物学重复，连续2 年取样评价。取样果实于当日运至实验室，测定其百果质量、果实纵径、果实横径、可溶性固形物含量，然后用液氮快速冷冻，保存于-80 °C 超低温冰箱中备用。葡萄糖、氢氧化钠、酒石酸钾钠、亚硫酸钠、苯酚、酚酞、乙醇、乙酸、2,6-二氯靛酚等试剂药品，均为国产分析纯。

1.2 仪器与设备

FR224CN 型天平，奥豪斯仪器（常州）有限公司；数显卡尺（量程：0～200 mm，精度：±0.02 mm），上海美耐特有限公司；PAL-1 手持糖度折光仪，爱宕（ATAGO）科学仪器有限公司；D-7 紫外可见分光光度计，南京菲勒仪器有限公司；PHSJ-4A 型PH 计，上海仪电科学仪器股份有限公司；DK-S26 水浴锅，上海精宏实验设备有限公司。

1.3 方 法

1.3.1 果实品质指标的测定方法

百果质量的测定：用电子天平称量100 个成熟果实的质量。

果实纵径、横径的测定：随机抽取30 个成熟果实，用数显卡尺测定果实的纵径、横径，计算平均值。果形指数为纵、横径之比[29]。可溶性固形物含量用手持糖度折光仪测定；可溶性糖含量采用3,5-二硝基水杨酸比色法[30]；可滴定酸含量采用酸碱滴定法[31]；抗坏血酸含量测定采用2,6-二氯靛酚滴定法[32]；糖酸比为可溶性糖含量与可滴定酸含量的比值；固酸比为可溶性固形物含量与可滴定酸含量的比值。

1.3.2 数据处理与分析方法

利用Excel 对数据进行预处理，利用SPSS 22 统计软件进行变异分析、主成分分析和聚类分析[33-35]。利用基迪奥云平台（Omic Share tools,https://www.omicshare.com/tools/）进行动态相关性热图分析。

相关性分析：首先检验各指标正态分布特性，然后进行Pearson 积差相关性分析。Pearson 相关系数，即积差相关系数，取值-1～1，绝对值越大，说明相关性越强。

主成分分析：将果实品质指标数据标准化处理与降维，通过因子分析与协方差矩阵计算得出对应因子分析系数和特征值，最终计算出对应指标的贡献率、主成分分析系数及综合权重。

聚类分析：聚类分析采用系统聚类组间联接欧氏距离法。

综合评价模型构建：将果实品质指标数据标准化后，根据各主成分的因子荷载值及特征向量计算各主成分得分，并根据各主成分得分及对应的权重线性加权求和，构建综合评价模型。

2 结果与分析

2.1 沙棘种质资源果实品质性状

2020 年和2021 年分别对22 份沙棘种质资源主要果实品质性状指标进行测定，计算2 年的平均值。如表1 所示。

果实百果质量分布在21.035～78.950 g 之间，其中，‘侍丛’、HS-12（图1 a）、‘优胜’、‘小柳树’、‘泽良女’、‘向阳’（图1b）和‘楚伊’（图1）果实相对较大，百果质量均超过60.000 g，‘实优1 号’的百果质量最小，仅为21.035 g。果实纵径分布在0.705～1.455 mm 之间，果形指数分布在0.947～1.617 之间，其中，果实纵径最大、果形指数最高的是‘优胜’，果实纵径最小的是‘实优1 号’，蒙1 果形指数最小。

图1 沙棘种质资源果实Fig.1 Fruit of seabuckthorn germplasm resources

果实横径分布在0.710～1.005 mm 之间，HS-12 果实横径最大，‘实优1 号’和‘深秋红’最小。可溶性固形物含量分布在5.775%～9.650%之间，‘向阳’、‘优胜’和HS-6 的可溶性固形物含量相对较高，均超过9.000%，‘乌兰格木’（图1d）最低，仅为5.775%。

可溶性糖含量分布在0.695%～3.885%之间，HS-6可溶性糖含量最高，其次为‘小柳树’、HS-12、‘侍丛’和‘楚伊’，可溶性糖含量均超过3%，‘辽阜1 号’和‘深秋红’最低。可滴定酸含量分布在0.975%～2.980%之间，‘实优1 号’可滴定酸含量最高，其次为‘绥棘2 号’（2.955%）、‘辽阜1 号’（2.235%），‘小柳树’最低。

抗坏血酸含量分布在97.575～284.920 mg/100 g 之间，‘乌兰格木’、‘绥棘2 号’和‘泽良女’抗坏血酸含量均超过280 mg/100 g，为高抗坏血酸含量资源。糖酸比分布在0.311～3.769 之间，‘小柳树’糖酸比最大，‘辽阜1 号’最小。固酸比分布在2.151～9.797 之间，‘向阳’固酸比最大，‘绥棘2 号’最小。

2.2 沙棘种质资源果实品质指标变异分析

供试的22 份资源各品质指标变异系数存在差异。由表2 可知，变异系数分布在9.339%～62.528%之间。果实纵径、果实横径、果形指数和可溶性固形物含量变异系数较小，均在20%以下，其中，果实横径的变异系数最小，仅9.339%，由此可知，上述果实品质指标较变异程度较小，遗传特性较为稳定。另外，百果质量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗坏血酸含量、糖酸比、固酸比的变异系数较大，均在30%以上，尤其是糖酸比，其变异系数高达62.528%，上述果实品质指标具有较高的遗传选择潜力，可作为品种选育的参考指标。

表2 22 份沙棘种质资源果实品质指标变异情况Table 2 Variations of quality indexes of 22 seabuckthorn germplasm resources

2.3 果实品质指标间相关性分析

果实品质指标相关性分析结果表明（图2），10 项品质指标间存在不同程度的相关性，性状间相互影响。其中，百果质量与果实纵径呈极显著正相关，相关系数最大，为0.939；可溶性固形物含量与可溶性糖含量、固酸比呈显著正相关；可溶性糖含量与可滴定酸含量呈极显著负相关，与抗坏血酸含量呈显著负相关；抗坏血酸含量与可滴定酸含量呈显著正相关，与糖酸比、固酸比呈极显著负相关，与可溶性糖含量呈显著负相关。

图2 品质指标间相关性分析Fig.2 Correlation analysis among quality indexes

果实的品质性状可以反映其遗传特性，不同品质性状指标并非独立，而是由多个指标组成，而且具有一定的相关性[36-37]。本研究中，百果质量与果实纵径、果实横径间呈极显著正相关，与葛文志[21]的研究结果一致。果形指数与果实纵径间呈极显著正相关，与王洪江等[22]研究结果一致。另外，本研究中可溶性糖含量与可滴定酸含量呈极显著负相关，与抗坏血酸含量呈显著负相关。可溶性固形物含量、抗坏血酸含量与其他指标显著性较弱，表明其相对较为独立，受其他指标因素影响较小。

2.4 果实品质指标的主成分分析

对22 份沙棘种质资源果实品质指标进行主成分分析（表3、表4），根据特征值大于1.0 的原则[38-40]，确定了3 个主成分，累积贡献率达86.053%。第1 主成分反映了原始信息量的62.593%，百果质量、糖酸比、固酸比、果实纵径、可溶性糖含量有较大的正系数值，载荷值分别为0.933、0.928、0.904、0.890、0.827，可滴定酸含量有较大的负系数值，载荷值为-0.854，说明第1 主成分较大时，百果质量、糖酸比、固酸比、果实纵径、可溶性糖含量的值较大，可滴定酸含量的值小。第2 主成分反映了原始信息量的12.597%，果形指数有较大的正系数值，载荷值为0.684，果实横径有较大的负系数值，荷载值为-0.453，说明第2 主成分大时，果形指数的值较大，果实横径的值较小。第3 主成分反映了原始信息量的10.863%，可溶性固形物含量有较大的负系数值，载荷值为-0.702，说明第3 主成分大时，可溶性固形物含量的值较小。

表3 各个主成分的特征值和贡献率Table 3 Eigenvalus and contribution rates of principle components

表4 各品质指标的主成分荷载矩阵Table 4 Loading matrix of principle components of fruit quality indexes

2.5 沙棘种质资源果实品质的综合评价

基于主成分分析结果构建沙棘种质资源果实品质综合评价模型。各品质指标的主成分载荷值（表4）除以主成分相对应的特征值开平方根（表3），得到3 个主成分中每个品质指标所对应的系数，即特征向量，以特征向量为权重[41]得到3 个主成分的得分公式：

式中F1～F3表示不同沙棘种质资源果实品质各主成分得分，X1～X10表示百果质量、果实纵径等10 项品质指标数值，F表示不同沙棘种质资源果实品质综合得分。

以主成分对应的方差贡献率作为权重，由主成分得分和对应的权重线性加权求和[42]，构建沙棘种质资源果实品质综合评价模型为：F=0.727F1+0.146F2+0.126F3。利用该模型得到22 份沙棘资源果实品质综合得分，将各资源果实品质按分数高低进行排序，综合评分越高说明该资源在测定的10 项品质指标中综合品质越佳[43-44]。

由表5 可以较为直观揭示供试沙棘资源果实品质的优劣情况。

表5 果实品质指标的主成分得分及综合评价Table 5 Principal component score and comprehensive evaluation of fruit quality indexes

‘侍丛’、‘小柳树’、‘向阳’、HS-12 的综合得分较高，分别为1.551、1.536、1.422、1.396，这些沙棘种质资源果实大，可溶性固形物含量和可溶性糖含量高，可滴定酸含量低，果实品质综合表现较好；‘优胜’、HS-10、‘泽良女’、HS-6、‘齐棘2 号’、‘楚伊’、‘泽梁’、‘乌兰格 木’、HS-4、‘实优2 号’、‘火光’、‘壮圆黄’、蒙1 的综合得分居 中，分别为1.367、1.135、1.038、0.987、0.945、0.919、0.839、0.797、0.790、0.631、0.609、0.545、0.533，这些沙棘种质资源的果实品质综合表现中等；‘深秋 红’、‘植物园’、‘绥棘2 号’、‘辽阜1 号’、‘实优1 号’的综合分值较低，分别为0.487、0.260、0.083、0.041、-0.131，这几份资源果实较小，可滴定酸含量高，可溶性固形物含量和可溶性糖含量较低，这些沙棘种质资源果实品质综合表现较差。

2.6 聚类分析

将标准化后的果实品质指标进行系统聚类分析[45-46]。结果如图3 所示：当欧式距离为12 时，可将22 份资源分为3 类。第I 类共4 份资源，包括‘侍丛’、‘小柳树’、HS-12、‘向阳’，该类种质资源果实大，百果质量分布在63.645～78.950 g 之间，可溶性固形物含量及可溶性糖含量较高，可滴定酸含量均低于1.025%，口感甜酸，果实品质优，该类种质资源果实具有良好的风味，适宜鲜食；第II 类共13 份资源，包括HS-4、‘楚伊’、HS-6、HS-10、‘优 胜’、‘泽良女’、‘齐棘2 号’、‘乌兰格木’、‘壮圆黄’、蒙1、‘实优2 号’、‘火光’、‘泽梁’，该类种质资源果 实品质居中，其中HS-4、HS-6、HS-10、‘楚伊’、‘优胜’、蒙1、‘泽良女’可溶性固形物含量和可溶性糖含量较高，适宜开发成果汁、果脯、果酱等食品，‘壮圆黄’、‘乌兰格木’抗坏血酸含量较高，适宜加工成果酒等产品；第III 类共5 份资源，包括‘辽阜1 号’、‘植物园’、‘实优1 号’、‘绥 棘2 号’、‘深秋红’，该类种质资源果实较小，百果质量分布在21.035～32.350 g 之间，可溶性糖含量均低于1.595%，该类种质资源果实可滴定酸含量较高，具有一定的营养价值，适宜开发果醋等功能性保健食品。综上结果可知，第Ⅰ类的4 份资源果实品质指标大多处于较高水平，与主成分分析综合评价得分排名前4 位的资源一致；第II 类的13 份资源的品质指标大多处于中等水平；第III 类的5 份资源的品质指标大多处于较低水平，与主成分分析综合评价得分排名后5 位的资源一致。系统聚类分析结果与主成分分析综合得分排名结果基本一致。

图3 果实品质性状的聚类分析Fig.3 Cluster analysis of main fruit traits

3 讨论

果树种质资源分析和综合评价是资源有效利用的前提，是品种选育和改良的基础[47]，长期人工杂交选育易造成遗传育种基础狭窄，在亲本选配中，应重视育种资源的遗传变异程度。变异系数可以反映资源遗传变异方面的差异，变异系数越大表明变异程度越大[48-49]。本研究中，22 份沙棘种质资源果实的10 项品质指标变异系数分布在9.339%～62.528%，表明果实品质性状差异大，数量性状多样性丰富，与葛文志[21]等对沙棘不同品种间果实性状变异分析结果一致。果实横径、果形指数、可溶性固形物含量的变异系数较小，均低于20%，而可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗坏血酸含量等重要的果实品质指标的变异系数较大，可作为沙棘育种亲本选配与品种改良的参考指标。

果实外观和内在品质评价，对果树新品种选育具有重要意义，往往单一性状指标评价提供的育种信息较为片面，因此综合品质精准评价将提供更加全面科学的参考信息[50]。主成分分析法通过降维，将原来具有一定相关性的多个变量归结为少数几个综合变量，是一种系统的统计学方法，可以全面分析和评价性状的综合表现[51-52]。本研究通过主成分分析对果实品质指标进行综合和简化，提取的3 个主成分，累积贡献率达86.053%，基本反映了沙棘种质资源果实品质性状的主要信息。基于主成分分析结果，本研究建立了综合评价模型，通过计算综合得分，使果实品质性状间的差异具有可比性，提高了品质综合评价的准确性，客观反映了果实品质综合评价情况。基于综合评价模型，22 份供试资源综合得分排名前4 名的资源为‘小柳树’、‘侍丛’、‘向阳’和HS-12，表现出可溶性固形物及可溶性糖含量高，且可滴定酸含量低，果实大，综合品质性状优，可作为寒地沙棘优异种质资源加以利用。

系统聚类分析表明，22 份资源分为3 类。第I 类共4 份资源，果实大，口感甜酸，适宜鲜食；第II 类共13份资源，适宜加工成果汁、果脯、果酱、果酒等食品；第III 类共5 份资源，适宜开发功能性保健食品。系统聚类分析结果与综合评价结果基本一致，从资源特征相似性而言，对综合评价模型结果提供了支持，进一步验证综合评价模型对沙棘种质资源果实品质综合评价的稳定性。综合评价模型评价出的4 份优异沙棘资源‘侍丛’、‘小柳树’、HS-12 和‘向阳’，聚为一类，表明这4 份资源具有相似特征。但系统聚类方法仅提供了供试资源特征相似性，而综合评价模型可以量化资源评价结果。

优质、丰产、抗逆性强是果树新品种选育的重要目标[53]，本研究采用的方法和结果为果树资源评价及沙棘资源利用提供了参考依据。但本研究还存在供试资源份数偏少、性状指标仅包括果实品质性状等局限，因此构建的综合评价模型，有待加入黄酮类物质、类胡萝卜素等功能性成分指标、丰产性、抗逆性、抗病性等评价指标，为沙棘种质资源利用提供更为全面的参考依据。

4 结论

1）22 份寒地沙棘种质资源10 项果实品质指标变异系数存在差异。其中，果实纵径、果实横径、果形指数和可溶性固形物含量的变异系数较小，百果质量、可溶性糖含量、可滴定酸含量、抗坏血酸含量、糖酸比、固酸比的变异系数相对较大，可作为沙棘育种亲本选配与品种改良的参考指标。

2）主成分分析将10 项果实品质指标提取出3 个主成分，累计方差贡献率达86.053%。第1 主成分贡献率为62.593%，主要由百果质量、糖酸比、固酸比、果实纵径、可溶性糖含量、可滴定酸含量决定；第2 主成分的贡献率为12.597%，由果形指数决定；第3 主成分的贡献率为10.863%，由可溶性固形物含量决定。

3）基于主成分分析构建综合品质评价模型，根据果实品质综合得分，‘小柳树’、‘侍丛’、‘向阳’和HS-12 为果实品质优良的寒地沙棘种质资源。