基于主成分分析的粳稻品質(zhì)評(píng)價(jià)及聚類分析

張梅霞,陳榮江

（1.河南豐源種子有限公司,河南新鄉(xiāng)453700；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于主成分分析的粳稻品質(zhì)評(píng)價(jià)及聚類分析

張梅霞1,陳榮江2

（1.河南豐源種子有限公司,河南新鄉(xiāng)453700；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

為探明影響黃淮流域粳稻品質(zhì)的主要性狀間的相互關(guān)系,以提高優(yōu)質(zhì)粳稻育種的預(yù)見性和可靠性,利用相關(guān)分析、主成分分析及聚類分析等分析方法,對(duì)河南省2010—2012年20個(gè)粳稻新品種的11個(gè)性狀進(jìn)行研究.結(jié)果表明：各性狀中變異系數(shù)較高的有堊白度（64.46%）、堊白粒率（49.67%）、透明度（47.33%）、膠稠度（11.37%）和堿消值（10.20%）,其他性狀的變異系數(shù)較低,堊白度、堊白粒率、透明度對(duì)稻米品質(zhì)的影響很重要；將11個(gè)品質(zhì)性狀提取堊白因子、精米因子、粒型因子、出米因子和膠稠度因子5個(gè)主成分,其累積方差貢獻(xiàn)率為84.74%；20個(gè)品種被劃分為4個(gè)類群,第Ⅰ類含4個(gè)品種,第Ⅱ類含8個(gè)品種,第Ⅲ類含3個(gè)品種,第Ⅳ類含5個(gè)品種.第Ⅱ類屬優(yōu)質(zhì)類,其中新稻062235的綜合品質(zhì)居參試品種之首,達(dá)到優(yōu)質(zhì)粳稻國標(biāo)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn).在優(yōu)質(zhì)粳稻育種實(shí)踐中應(yīng)以降低堊白度及堊白粒率為主攻目標(biāo).

粳稻；品質(zhì)性狀；相關(guān)性；主成分分析；聚類分析

水稻是我國最重要的糧食作物之一,優(yōu)質(zhì)食用稻米備受消費(fèi)者喜愛.如何選育品質(zhì)優(yōu)良的雜交組合是水稻研究的熱點(diǎn)之一.稻米品質(zhì)受品種遺傳特性、生態(tài)環(huán)境以及栽培條件的綜合影響,其中起決定作用的是遺傳因素[1-3].有關(guān)稻米品質(zhì)的研究有較多報(bào)道,如趙國珍等[4]關(guān)于云南高原粳稻品質(zhì)特性的分析,歷艷志等[5]關(guān)于北方粳稻稻米品質(zhì)性狀的遺傳效應(yīng)分析,馬洪文等[6]以寧夏雜交粳稻育種親本為材料進(jìn)行的雜交粳稻品質(zhì)性狀遺傳效應(yīng)分析,楊娟等[7]關(guān)于江蘇省雜交晚粳與遲熟中粳主要性狀的比較研究等.這些研究中分析材料與地理氣候特點(diǎn)各異,所得結(jié)果也不同.除此之外,還有涉及農(nóng)藝性狀、管理措施對(duì)稻米品質(zhì)影響的研究[8-10].但有關(guān)黃淮流域粳稻品質(zhì)性狀的研究報(bào)道較少.

為明確粳稻品質(zhì)性狀間的相互影響及新品種的米質(zhì)狀況,加快粳稻品質(zhì)育種進(jìn)程,本文在前人研究的基礎(chǔ)上,對(duì)河南省2010—2012年粳稻聯(lián)合區(qū)試20個(gè)新品種的品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析及聚類分析,以確定各類品種在稻米品質(zhì)方面的特征和優(yōu)勢性狀,旨在為河南省優(yōu)質(zhì)粳稻育種和優(yōu)異種質(zhì)資源的有效利用提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 分析材料

分析材料為河南省2010—2012年粳稻聯(lián)合區(qū)試共20個(gè)品種的資料.參試品種包括：五粳04-136（v1）、新豐06-21（v2）、藝稻06-18（v3）、玉稻518（v4）、新稻062235（v5）、豫豐08-336（v6）、隆優(yōu)1875（v7）、新豐10-2093（v8）、鄭稻10-1（v9）、獲稻008（v10）、魚選10-1（v11）、新稻29（v12）、連09-40（v13）、長粳6號(hào)（v14）、新豐2號(hào)（v15）、五粳519（v16）、鄭稻09-10（v17）、宛粳096（v18）、信粳64（v19）、杜粳166（v20）.以新豐2號(hào)作為CK.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院、新鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院等10個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行.隨機(jī)區(qū)組排列,重復(fù)3次.肥水管理同大田常規(guī)栽培模式.考察的11個(gè)品質(zhì)性狀為出糙率（x1,%）、精米率（x2,%）、整精米率（x3,%）、堊白粒率（x4,%）、堊白度（x5,%）、直鏈淀粉（x6,%）、膠稠度（x7,mm）、粒長（x8,mm）、粒型（x9,長/寬）、堿消值（x10,級(jí)）、透明度（x11,級(jí)）.由農(nóng)業(yè)部食品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心（武漢）對(duì)樣品進(jìn)行分析鑒定.

1.3 分析方法

采用相關(guān)分析、主成分分析和聚類分析等方法對(duì)粳稻品質(zhì)性狀進(jìn)行分析.首先對(duì)20個(gè)供試粳稻品種的11個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)分析；基于相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行主成分分析,以累計(jì)方差貢獻(xiàn)≥80%確定主成分?jǐn)?shù)目；取相應(yīng)主成分的特征向量,再結(jié)合相關(guān)系數(shù)矩陣計(jì)算得分系數(shù)矩陣,進(jìn)而根據(jù)各品種品質(zhì)性狀的標(biāo)準(zhǔn)化值得到各品種在諸主成分上的得分值,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)聚類；根據(jù)各類品種主要品質(zhì)性狀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)其特征進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).數(shù)據(jù)處理在SAS9.2[11]和MATLAB7.0[12]系統(tǒng)下進(jìn)行.

2 結(jié)果與分析

2.1 供試粳稻品種的品質(zhì)性狀表現(xiàn)

20個(gè)供試粳稻品種的11個(gè)品質(zhì)性狀表現(xiàn)見表1.

由表1可知,供試粳稻品種的11個(gè)品質(zhì)性狀中,變異系數(shù)較大的有堊白度（64.46%）、堊白粒率（49.67%）、透明度（47.33%）、膠稠度（11.37%）和堿消值（10.20%）.堊白度的變異系數(shù)最大,表明堊白度在品種間的差異最明顯；其次是堊白粒率和透明度；出糙率的變異系數(shù)（1.14%）最小.精米率、粒長、整精米率、粒型（長/寬）、直鏈淀粉的變異系數(shù)均較小,表明這些性狀主要受遺傳因素控制.對(duì)照《GB/T 17891—1999優(yōu)質(zhì)稻谷》[13]的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),參試品種的出糙率均達(dá)優(yōu)質(zhì)粳稻一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（≥81%）,精米率均在優(yōu)質(zhì)二級(jí)（≥64%）以上,堊白粒率的均值（30.50）未達(dá)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（≤30%）,堊白度的均值達(dá)優(yōu)質(zhì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（≤3%）,直鏈淀粉均值達(dá)優(yōu)質(zhì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（15.0%～18.0%）,膠稠度的均值（67.45）僅能達(dá)優(yōu)質(zhì)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（≥60 mm）.由此可知,影響粳稻稻谷品質(zhì)的主要指標(biāo)是堊白粒率、堊白度,減少堊白粒率和堊白度是優(yōu)質(zhì)粳稻選育攻關(guān)的重點(diǎn).

2.2 供試粳稻品種品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

供試粳稻品種11個(gè)品質(zhì)性狀間的相關(guān)系數(shù)見表2.

為使各性狀對(duì)品質(zhì)的影響趨向一致,對(duì)堊白粒率、堊白度和透明度3個(gè)性狀的原始值進(jìn)行如下變換：將每個(gè)性狀的最大值減去該性狀的觀測值,所得結(jié)果作為此性狀的觀測值.由表2各品質(zhì)性狀間的相關(guān)系數(shù)可知：出糙率與精米率呈顯著正相關(guān)（0.520*）；精米率與整精米率呈顯著正相關(guān)（0.448*）；整精米率與直鏈淀粉（-0.526*）、堿消值（-0.538*）均呈顯著負(fù)相關(guān)；堊白粒率與堊白度（0.921**）、透明度（0.661**）均呈極顯著正相關(guān)；堊白度與透明度呈極顯著正相關(guān)（0.747**）；粒長與粒型呈極顯著正相關(guān)（0.611**）.除此之外,其他性狀間的相關(guān)性均不顯著.由于各品質(zhì)性狀間相關(guān)關(guān)系比較復(fù)雜,為使品質(zhì)性狀的分析得以簡化,且性狀間的變異信息損失更少,須進(jìn)一步做主成分分析.

2.3 供試粳稻品種品質(zhì)性狀的主成分分析

供試粳稻品種11個(gè)品質(zhì)性狀的主成分及方差貢獻(xiàn)率見表3.

由表3可知,前5個(gè)主成分的特征值均大于或接近1.0,累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)84.74%,表明此5個(gè)主成分能解釋所考察的11個(gè)品質(zhì)性狀總變異信息的84.74%,較好地代表了這些性狀,從而可以代替這些品質(zhì)性狀進(jìn)行分析.第一主成分的貢獻(xiàn)率為26.52%,該主成分中以堊白粒率（0.943）和堊白度（0.871）的載荷較大,故稱為堊白因子,它與透明度（0.662）呈正相關(guān),表現(xiàn)為稻米的外觀品質(zhì),第一主成分大的品種堊白米率和堊白度有偏高的趨勢；第二主成分的貢獻(xiàn)率為19.92%,以精米率（0.749）和整精米率（0.661）的載荷較高,可稱為精米因子,表現(xiàn)為粳稻的碾米品質(zhì),該主成分與堿消值（-0.616）、透明度（-0.439）呈負(fù)相關(guān),第二主成分值高的品種稻米品質(zhì)優(yōu)良；第三主成分的貢獻(xiàn)率為16.71%,其中粒型（0.815）和粒長（0.643）的載荷較高,稱為稻谷粒型因子,同樣表現(xiàn)為稻米的外觀品質(zhì)；第四主成分的貢獻(xiàn)率為12.67%,該主成分的載荷以出糙率（0.700）和整精米率（0.560）較高,稱為碾米因子,表現(xiàn)為粳稻的碾米品質(zhì)；第五主成分的貢獻(xiàn)率為8.92%,各性狀的載荷以膠稠度（0.773）最高,稱為膠稠度因子,表現(xiàn)為稻米蒸煮食味品質(zhì).共同度表示所選的主成分能反映每個(gè)性狀變異信息的比例,表3最后一列該指標(biāo)值除堿消值（63.2%）和直鏈淀粉（65.9%）兩性狀外,其他各性狀的共同度都接近或高于80%,表明所選主成分能較好地代表這些品質(zhì)性狀.

根據(jù)主成分的意義對(duì)參試粳稻品種的品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià).從稻米外觀看,第一主成分值越大,相應(yīng)的堊白度、堊白粒率及透明度越高,由于堊白度、堊白粒率分別是某一值與其觀測值之差所得,所以第一主成分值應(yīng)取較大值為好；從碾磨品質(zhì)看,第二主成分值越大,稻米碾磨品質(zhì)越好,因此第二主成分值越大越好；從外觀品質(zhì)考慮,第三主成分值高,粒型偏長,但膠稠度趨低,故取中等值為好；從稻谷出米率考慮,第四主成分值越大,稻谷籽粒的成熟度、飽滿度越好,出米率越高,故第四主成分值宜偏高；從蒸煮品質(zhì)看,膠稠度越高,稻米的食味越好,應(yīng)取較高值.由于粳稻品質(zhì)性狀間在遺傳上存在一定相關(guān),性狀間的相關(guān)方向與優(yōu)質(zhì)稻米的指標(biāo)要求存在不一致性,如整精米率與直鏈淀粉和堿消值之間存在一定的矛盾關(guān)系,因此,各主成分的值都應(yīng)控制在適宜的范圍之內(nèi).

2.4 供試粳稻品種的聚類分析

為客觀地對(duì)參試品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),首先利用所得的主成分值和所考察品質(zhì)性狀的觀測值計(jì)算諸品種相應(yīng)各主成分的得分,在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用系統(tǒng)聚類法（“cosine”距離,離差平方和方法）對(duì)20個(gè)參試粳稻品種進(jìn)行聚類分析.供試粳稻品種的主成分得分見表4,品質(zhì)特征聚類見圖1.

由圖1可知,在類間距離閾值為8.8時(shí),可將20個(gè)粳稻品種劃分為4類.第Ⅰ類有玉稻518（v4）、豫豐08-336（v6）、長粳6號(hào)（v14）、鄭稻09-10（v17）,共4個(gè)品種；第Ⅱ類含五粳04-136（v1）、新豐06-21（v2）、獲稻008（v10）、新稻29（v12）、連09-40（v13）、新豐2號(hào)（v15）、五粳519（v16）、信粳64（v19）,共8個(gè)品種；第Ⅲ類含藝稻06-18（v3）、新稻062235（v5）、宛粳096（v18）,共3個(gè)品種；第Ⅳ類含隆優(yōu)1875（v7）、新豐10-2093（v8）、鄭稻10-1（v9）、魚選10-1（v11）、杜粳166（v20）,共5個(gè)品種.由此可見,供試品種的品質(zhì)呈現(xiàn)多樣性,但是遺傳距離較近,表明遺傳基礎(chǔ)較狹窄.

為明確各類粳稻品種的品質(zhì)特征,將各類品種的主要品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).各類品種品質(zhì)性狀的均值見表5.

由表5可知：各類粳稻品種在出糙率、整精米率、直鏈淀粉3個(gè)性狀方面的差異不大.除第I類個(gè)別品種的直鏈淀粉不滿足優(yōu)質(zhì)粳稻一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外,其他品種這3項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求.參試品種的堊白粒率偏高,僅新稻062235達(dá)到國標(biāo)一級(jí)要求；有4個(gè)品種（堊白粒率≤20%）達(dá)到國標(biāo)二級(jí),占參試品種總數(shù)的20%；另有8個(gè)品種（堊白粒率介于20%～30%）達(dá)到國標(biāo)三級(jí),占品種總數(shù)的40%；其余35%的品種達(dá)不到三級(jí)要求.與堊白粒率類似,堊白度也偏高,參試品種中達(dá)到國標(biāo)一、二、三級(jí)要求的分別有2、13、3個(gè),仍有25%的品種達(dá)不到三級(jí)要求.膠稠度指標(biāo)第Ⅰ類優(yōu)于Ⅱ、Ⅳ類,第Ⅲ類達(dá)不到國標(biāo)三級(jí)的要求.

3 結(jié)論與討論

從供試粳稻品種各品質(zhì)性狀的變異系數(shù)得出,堊白粒率、堊白度、膠稠度、堿消值和透明度的變異系數(shù)較高,堊白粒率、堊白度尤為突出,它們?yōu)橛绊懙竟绕焚|(zhì)的重要指標(biāo).由品質(zhì)性狀間的相關(guān)分析得出,出糙率與精米率、精米率與整精米率均呈顯著正相關(guān),整精米率與直鏈淀粉、堿消值均呈顯著負(fù)相關(guān),堊白粒率與堊白度呈極顯著正相關(guān),堊白粒率和堊白度均與透明度呈極顯著正相關(guān).所以,改善堊白度應(yīng)該從減少堊白粒率入手,這與陳能等[14]、周治寶等[15]的研究結(jié)論一致.育種上可利用低堊白粳稻種質(zhì)資源,通過雜交定向培育出灌漿結(jié)實(shí)期耐高溫和強(qiáng)光的生態(tài)型品種,達(dá)到降低堊白度的目的.

將分析材料的11個(gè)品質(zhì)性狀濃縮得到5個(gè)主成分,即堊白因子、精米因子、粒型因子、碾米因子和膠稠度因子,它們能解釋所考察性狀總變異的84.74%.在各品種主成分得分的基礎(chǔ)上,20個(gè)參試品種被劃分為4類,第Ⅰ、Ⅱ類品質(zhì)較優(yōu),Ⅲ類次之,第Ⅳ類相對(duì)較差.

參照優(yōu)質(zhì)粳稻品質(zhì)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),本研究所涉及品種的出糙率、整精米率（除杜粳166外）、直鏈淀粉（除豫豐08-336外）均達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求；堊白粒率偏高,參試品種有35%未達(dá)到三級(jí)；25%的品種堊白度僅達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；膠稠度在三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及其以下的品種占65%.降低堊白粒率和堊白度、提高膠稠度對(duì)于提高稻谷品質(zhì)來說顯得尤為重要.李欣等[16]、林建榮等[17]的研究表明,粳稻品質(zhì)性狀主要受品種遺傳基因控制,同時(shí)還受基因與環(huán)境互作的影響,糙米率、精米率、整精米率和堊白率均受母體植株基因型的控制,對(duì)其改良應(yīng)采用單粒法進(jìn)行早代選擇.膠稠度同時(shí)受種子直接加性效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)的影響,所以對(duì)膠稠度的選擇宜在單株選擇法的基礎(chǔ)上,主要采用單粒選擇.在判定親本利用價(jià)值上,一般要求糙米率、精米率、整精米率、堿消值和膠稠度等性狀的效應(yīng)值越高越好,而堊白粒率和堊白度指標(biāo)越低越好,直鏈淀粉含量指標(biāo)不宜過高或過低.本分析材料中新稻062235、鄭稻09-10、五粳04-136、玉稻518的堊白度和堊白率較低,在今后的品質(zhì)改良中可以加以利用.

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（責(zé)任編輯：鄧天福）

Japonica rice quality evaluation and cluster analysis based on principal component analysis

ZHANG Meixia1,CHEN Rongjiang2
（1.Henan Fengyuan Seeds Co.LTD,Xinxiang453700,China；2.Henan Institute ofScience and Technology,Xinxiang453003,China）

In order to improve the predictability and the reliability of high quality japonica rice breeding,and explore the relationship between the quality characters of japonica rice quality in Huang-Huai river basin,correlation, principal component analysis and cluster analysis were carried out on 11 characters of 20 new japonica rice varieties in Henan Province during 2010―2012.The results showed that the variation coefficient of chalkiness degree（64.46%）, chalky grain rate（49.67%）,transparency（47.33%）,gel consistency（11.37%）,alkali spreading value（10.20%）were higher than the other characters；chalkiness degree,chalky grain rate and transparency were very important to rice quality.The five principal components from 11 traits,the cumulative variance contribution rate 84.74%,were respectively chalkiness factor,milled rice,grain type factor,rice milling factor,gel consistency factor；20 variables were divided into four classes：Class I had 4 varieties；Class II contained 8 varieties；Class III contained 3 varieties；Class IV contained 5 varieties.Class II was a high quality class,in which the comprehensive quality of the Xin 062235 rice lied the first of the test varieties,up to the national standard level 1 of high quality japonica rice.In the breeding practice of high quality japonica rice,the main aim is to reduce the chalkiness and the chalky grain rate.

japonica rice；quality traits；correlation；principal component analysis；cluster analysis

S511.2+2

A

1008-7516（2016）05-0001-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.05.001

2016-07-31

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（162102110172）

張梅霞（1976―）,女,河南新鄉(xiāng)人,農(nóng)藝師.主要從事水稻育種工作.