基于主成分和聚類分析的辣椒抗蚜水平與營(yíng)養(yǎng)成分相關(guān)性評(píng)價(jià)

梁曉 伍春玲 劉迎 稅軍 王穎 陳青

（1.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護(hù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物有害生物綜合治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海南省熱帶農(nóng)業(yè)有害生物監(jiān)測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/海南省熱帶作物病蟲害生物防治工程技術(shù)研究中心 海南?？?571101；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院三亞研究院/海南省南繁生物安全與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南三亞 572000）

辣椒是海南省冬季瓜菜的第一大蔬菜品種[1]，在推動(dòng)熱帶特色高效農(nóng)業(yè)和海南自由貿(mào)易港建設(shè)中發(fā)揮了重要作用。當(dāng)前，海南辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在適于屬地化高效栽培、聚合抗蟲、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的辣椒品種嚴(yán)重缺乏的突出問題，不僅未能充分發(fā)揮抗蟲品種在蟲害綠色防治中的重要作用，而且導(dǎo)致優(yōu)質(zhì)辣椒品種難以形成品牌規(guī)模效應(yīng)、產(chǎn)品品質(zhì)效益低[2]。因此，如何有效解決辣椒安全、高效、優(yōu)質(zhì)、規(guī)?；a(chǎn)與蟲害有效綠色防控間的矛盾已成為海南辣椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展中亟待解決的重大難題。

游離氨基酸、VC、辣椒堿等營(yíng)養(yǎng)成分是衡量辣椒品質(zhì)的重要指標(biāo)[3]。研究者采用主成分和聚類分析方法對(duì)多個(gè)營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選出品質(zhì)較優(yōu)的辣椒品種，如朱志妍等[4]對(duì)49份云南省主要辣椒品種活性成分及其加工適應(yīng)性進(jìn)行了主成分和聚類分析，發(fā)現(xiàn)云南本土品種“小米辣”綜合得分最高，綜合加工適應(yīng)性最佳。彭澤等[5]以“蘇椒1614”“巨無霸”“旋美”和“辣天下”辣椒為參試材料，采用上述2種分析方法篩選出“蘇椒1614”為南京地區(qū)設(shè)施無土栽培的優(yōu)良品種。

研究表明，辣椒中的某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組分與其抗蟲性有關(guān)[6]。盡管當(dāng)前已有較多針對(duì)辣椒營(yíng)養(yǎng)成分，或者營(yíng)養(yǎng)成分和加工特性[4]、營(yíng)養(yǎng)成分和農(nóng)藝性狀[7]等綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道，但迄今為止，尚未見辣椒抗蟲性和營(yíng)養(yǎng)特性綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道，缺乏對(duì)綜合抗蟲、優(yōu)質(zhì)等多個(gè)優(yōu)良性狀的辣椒品種的科學(xué)界定。因此，本研究以前期經(jīng)過抗蚜性鑒定的32個(gè)辣椒品種為材料，測(cè)定其游離氨基酸、可溶性糖、VC、辣椒堿、二氫辣椒堿的含量，同時(shí)利用相關(guān)性分析、主成分分析法與聚類分析法對(duì)其抗蚜水平和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為篩選兼具抗蚜和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)良特性的辣椒品種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

研究所用32個(gè)參試品種均為國(guó)內(nèi)辣椒主栽區(qū)栽培品種，在前期研究中已進(jìn)行抗蚜性鑒定[2]。

1.2 方法

1.2.1 營(yíng)養(yǎng)成分測(cè)定取32個(gè)辣椒品種的成熟果實(shí)進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定（mg/g，干重），所有樣本重復(fù)測(cè)定3次，游離氨基酸、可溶性糖、VC、辣椒堿、二氫辣椒堿測(cè)定方法如下。

（1）游離氨基酸含量測(cè)定 采用茚三酮法，參考陳青[8]的方法略加修改。分別準(zhǔn)確稱取辣椒樣品0.5 g于研缽中，加入5 mL10%乙酸，于冰浴狀態(tài)下研磨成勻漿；以4 700 r/min 離心20 min；取上清液，用蒸餾水定容至10 mL，搖勻后待測(cè)。

樣品測(cè)定 取0.5 mL待測(cè)樣品于離心管中，加入0.5 mL蒸餾水，再加入1.5 mL水合茚三酮和0.05 mL 0.1%抗壞血酸，混合均勻后于沸水浴中加熱15 min；隨后置于冷水中晃動(dòng)冷卻，待呈現(xiàn)藍(lán)紫色時(shí)，用60%乙醇定容至10 mL，搖勻，于紫外分光光度計(jì)570 nm處測(cè)定吸光度值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線（以亮氨酸為標(biāo)準(zhǔn)）和樣品吸光度計(jì)算游離氨基酸含量，重復(fù)3次。

（2）可溶性糖含量測(cè)定 采用蒽酮法，參考張哲[9]的方法略加修改。分別準(zhǔn)確稱取辣椒果實(shí)0.5 g于研缽中，加入5 mL蒸餾水，于冰浴狀態(tài)下研磨成勻漿，置于沸水浴中煮沸10 min，冷卻后以4 700 r/min離心20 min；取上清液，用蒸餾水定容至10 mL，搖勻后待測(cè)。

樣品測(cè)定 取待測(cè)樣品1 mL于離心管中，加入1 mL蒸餾水和5 mL蒽酮試劑，輕輕搖勻后置于沸水浴加熱10 min，待冷卻至室溫后，于紫外分光光度計(jì)620 nm處測(cè)定吸光度值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線（以葡萄糖為標(biāo)準(zhǔn)）和樣品吸光度計(jì)算可溶性糖含量。

（3）VC含量測(cè)定參照鉬藍(lán)比色法[10]。

（4）辣椒堿、二氫辣椒堿含量測(cè)定 參照GB/T 30388—2013《辣椒及其油樹脂 總辣椒堿含量的測(cè)定高效液相色譜法》方法。色譜條件：色譜柱，HPLC VP-ODS C18色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），柱溫40 ℃；流動(dòng)相為甲醇-水(57∶43,V∶V), 等度洗脫；流速1 mL/min, 檢測(cè)波長(zhǎng)280 nm；分別取對(duì)照品溶液和供試品溶液各10 μL, 注入色譜儀。

1.2.2 數(shù)據(jù)分析采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；使用軟件IBM SPSS Statistics 25進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析；采用組間連接法進(jìn)行聚類分析，指標(biāo)間的距離為歐氏距離。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同抗蚜辣椒品種的營(yíng)養(yǎng)成分含量

32個(gè)辣椒品種的營(yíng)養(yǎng)成分含量測(cè)定結(jié)果詳見表1。游離氨基酸含量為0.063～0.376 mg/g，含量最高為翡翠甜椒（26號(hào)），最低為二金條2號(hào)（10號(hào)），變異系數(shù)為40.88%?？扇苄蕴呛?3.651～37.331 mg/g，含量最高為博辣艷麗（7號(hào)），最低為新香2號(hào)（30號(hào)），變異系數(shù)為22.15%。VC含量0.652～3.020 mg/g，含量最高為新香2號(hào)（30號(hào)），最低為石柱朝天紅（2號(hào)），變異系數(shù)為35.79%。辣椒堿含量為0.354～2.471 mg/g，含量最高的為二金條2號(hào)（10號(hào)），最低為翠玉甜椒（27號(hào)），變異系數(shù)為43.63%。二氫辣椒堿含量為0.079～0.621 mg/g，含量最高為石柱朝天紅（2號(hào)），最低為大羊角椒（32號(hào)），變異系數(shù)為45.98%。

表1 三十二份辣椒的營(yíng)養(yǎng)成分含量 單位：mg/g，干重

2.2 辣椒抗蚜性、營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)間相關(guān)性

32個(gè)辣椒品種抗蚜性、營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)間相關(guān)性分析結(jié)果(表2)表明，抗蚜水平與游離氨基酸（r=-0.554）、VC含量（r=-0.760）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與辣椒堿含量呈極顯著正相關(guān)（r=0.523），而與可溶性糖（r=0.454）、二氫辣椒堿含量（r=0.429）無顯著相關(guān)性。此外，不同的營(yíng)養(yǎng)組分之間，僅有辣椒堿和二氫辣椒堿含量之間存在極顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.589）。

表2 辣椒品種抗蚜性和營(yíng)養(yǎng)成分指標(biāo)間的相關(guān)性

2.3 抗蚜辣椒品種營(yíng)養(yǎng)成分的主成分分析

主成分分析碎石圖結(jié)果（圖1）表明，前2個(gè)主成分因子之間的連線急劇下降，隨后特征值的變化曲線明顯趨于平緩，確定提取前2個(gè)主成分進(jìn)行后續(xù)分析。如表3所示，可用前2個(gè)主成分代表32個(gè)辣椒品種的抗蚜水平和5個(gè)營(yíng)養(yǎng)成分特征，綜合體現(xiàn)其抗蟲和品質(zhì)信息，選取特征值大于1的前2個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到70.496%。其中，第1個(gè)主成分特征值為3.164，貢獻(xiàn)率為52.735%，載荷較高且符號(hào)為正的有抗蚜水平、辣椒堿和二氫辣椒堿，這些特征主要反映了辣椒的抗蚜水平及其辣度值。第2個(gè)主成分特征值為1.066，貢獻(xiàn)率為17.761%，載荷較高且符號(hào)為正的為抗蚜水平、游離氨基酸、可溶性糖（表4），這些特征值主要反映了辣椒的抗蚜水平和營(yíng)養(yǎng)成分含量。

圖1 主成分分析碎石圖

表3 主成分的特征值和貢獻(xiàn)率

表4 主成分矩陣

以前2個(gè)主成分及以每個(gè)主成分所對(duì)應(yīng)的特征值占所提取主成分總的特征值之和的比例作為權(quán)重，計(jì)算主成分綜合模型：F=0.364Y1+0.340Y2。由此得到主成分因子得分（表5），對(duì)32個(gè)辣椒的抗蚜和營(yíng)養(yǎng)水平進(jìn)行綜合分析，F(xiàn)值越大，表明該辣椒品種的抗蚜和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的綜合性狀較好。石柱朝天紅、辣豐三號(hào)和博辣艷麗3個(gè)辣椒品種的綜合排名位居前三，是較好的兼具抗蚜、優(yōu)質(zhì)特性的品種。

表5 三十二份辣椒品種的主成分因子得分

2.4 辣椒抗蚜蟲性和營(yíng)養(yǎng)成分的聚類分析

采用組間連接法進(jìn)行抗蚜水平和營(yíng)養(yǎng)成分的系統(tǒng)聚類分析，結(jié)果如圖2所示。在歐氏距離為12.5處將32個(gè)辣椒品種分為3類。第一大類包括了所有的感蚜和高感蚜品種8個(gè)，如福康8號(hào)、翡翠甜椒、翠玉甜椒、薄冠008、皇帝椒、新香2號(hào)、干辣3號(hào)和大羊角椒，并且感蚜水平越接近，其聚類關(guān)系越近，這些品種營(yíng)養(yǎng)水平的共同特征是游離氨基酸含量、VC含量較高，可溶性糖、辣椒堿和二氫辣椒堿含量較低。第二大類包括了23個(gè)辣椒品種，涵蓋了高抗蚜、抗蚜和中抗蚜的品種，其營(yíng)養(yǎng)成分含量差異較大，從高含量到低含量的品種均有覆蓋。第三類僅有一個(gè)高抗蚜辣椒品種石柱朝天紅，具有游離氨基酸和VC含量低、辣椒堿和二氫辣椒堿含量高、可溶性糖含量適中的特點(diǎn)。

圖2 三十二份抗蚜辣椒品種的聚類圖

3 討論

作物品種抗蟲性與其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量關(guān)系密切。研究表明，棉花在苗期時(shí)，其頂葉中可溶性糖含量與其對(duì)綠盲蝽抗性呈顯著正相關(guān)；而蕾期時(shí)，棉蕾中可溶性糖含量與其對(duì)綠盲蝽抗性呈顯著負(fù)相關(guān)[11]。楊乃博[12]研究發(fā)現(xiàn)，抗螟蟲甘蔗種質(zhì)中可溶性蛋白、可溶性糖和抗壞血酸（VC）含量均顯著低于感螟蟲種質(zhì)；甘蔗種質(zhì)抗螟蟲性與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量高的甘蔗種質(zhì)抗螟蟲性較弱。在辣椒研究中，同樣也發(fā)現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量與抗蟲性有關(guān)。例如陳青[8]研究發(fā)現(xiàn)，抗蚜辣椒品種較感蚜品種葉組織中游離氨基酸、氮、脯胺酸和VC含量低，可溶性糖含量和糖/氮比高。針對(duì)辣椒果實(shí)的研究表明，較高的辣椒堿含量能夠顯著抑制拉丁美洲夜蛾（Spodoptera latifascia）的生殖和發(fā)育，同時(shí)也能夠顯著減少其被天敵寄生蜂的寄生概率[13]。本研究32個(gè)辣椒品種抗蚜水平與5種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，辣椒品種抗蚜性與游離氨基酸、VC的含量呈顯著負(fù)相關(guān)，而與辣椒堿、二氫辣椒堿含量呈顯著正相關(guān)，這與陳青[8]和Chabaane等[13]的結(jié)果具有一定的相似性，即辣椒品種中某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量較高可能不利于其抗蚜，而較高辣度的辣椒品種其抗蚜表現(xiàn)卻相對(duì)較好。

對(duì)辣椒品種的抗蟲性及其營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，篩選兼具抗蟲、優(yōu)質(zhì)特性的辣椒品種是實(shí)現(xiàn)害蟲綠色防控和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)提升的重要舉措。盡管已有研究表明，辣椒品種的抗蟲性與特定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量有關(guān)，但大都是抗蟲性與單一營(yíng)養(yǎng)組分間的簡(jiǎn)單相關(guān)性比較，并未結(jié)合多個(gè)營(yíng)養(yǎng)組分進(jìn)行綜合分析，對(duì)抗蟲性和品質(zhì)性狀的判斷具有一定的局限性。主成分分析與聚類分析能夠相對(duì)系統(tǒng)全面地評(píng)價(jià)多個(gè)不同性狀、不同指標(biāo)的綜合效應(yīng)，并歸納出具有相似性狀表現(xiàn)的品種類群，這在辣椒品種營(yíng)養(yǎng)成分和加工特性[4]、活性成分和農(nóng)藝性狀[7]等綜合評(píng)價(jià)研究中已有報(bào)道。本研究首次采用上述方法綜合評(píng)價(jià)多個(gè)不同抗蚜水平的辣椒品種的營(yíng)養(yǎng)特性，發(fā)現(xiàn)感蚜品種通常具有較高的游離氨基酸、VC含量，較低的可溶性糖、辣椒堿和二氫辣椒堿含量，而對(duì)抗蚜性具有較好指示作用的營(yíng)養(yǎng)成分為辣椒堿；“石柱朝天椒”在抗蚜性、營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)方面具有較優(yōu)的性狀表現(xiàn)，是兼具抗蟲、優(yōu)質(zhì)特性的優(yōu)良辣椒品種。

本研究為篩選兼具抗蚜和優(yōu)良營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的辣椒品種奠定了基礎(chǔ)。后續(xù)研究將進(jìn)一步收集辣椒種質(zhì)，并擴(kuò)大抗蟲性指標(biāo)和營(yíng)養(yǎng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)范圍，以期建立更為科學(xué)、可靠的辣椒種質(zhì)資源多個(gè)優(yōu)良性狀的綜合評(píng)價(jià)方法和技術(shù)體系。