美国薄壳山核桃实生种源果实品质主成分分析与综合评价

2019-11-28左继林孙颖吴妹杰周文才龚春黄文印徐林初

江苏农业科学 2019年18期

左继林孙颖吴妹杰周文才龚春黄文印徐林初

摘要：通过对美国薄壳山核桃20株实生优株的冠幅产量、单果质量、种仁含油率、脂肪酸组分含量等性状的测定与统计学分析，综合评价各优株品质。结果表明，不同优株间性状差异明显，主成分分析17个性状指标综合成5个主成分因子可代表薄壳山核桃品质82.17%的信息量，种仁含油率、油酸含量、单果质量、出仁率、仁质量与果径在综合评价指标中起决定作用;利用主成分與聚类分析将优株分为4类，Ⅰ类是壳较厚、种仁含油率与油酸含量均高的丰城2号等5个优株;Ⅱ类是冠幅产量、含油率最高的丰城3号等8个优株;Ⅲ类是果大、壳薄、出仁率、蛋白质含量高的丰城6号等5个优株;Ⅳ类是丰城24号、丰城26号。品质综合性状较好的是丰城4号、丰城6号、丰城36号、丰城2号、丰城5号。

关键词：美国薄壳山核桃;果实品质;主成分;综合评价

中图分类号： S664.103文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）18-0235-05

收稿日期：2018-05-02

基金项目：国家林业局科技支撑项目（编号：GR-2016-02）。

作者简介：左继林（1969—），男，江西永新人，博士，研究员，研究方向为经济林研究与开发。E-mail：zjl691011@163.com。

美国薄壳山核桃[Carya illinoinensis （Wangenh.） K. Koch]原产于北美，为胡桃科山核桃属植物，是世界著名的干果之一，它具有壳薄易取仁、适合机械加工、适合在低纬度地区种植且可用作园林绿化树的优点[1-4]。我国引种美国薄壳山核桃已有100多年的历史，在我国亚热带东部、长江流域和云南省等地结实较好，但至今仍未能形成商品化生产栽培，且适宜在各区域推广的美国薄壳山核桃良种资源相对较少[5-6]。目前，薄壳山核桃的良种评价与选优工作开展的不多，20世纪80年代由浙江省科学院联合浙江省农业科学院对我国14个省份的薄壳山核桃资源进行初查，提出坚果壳薄、种仁饱满、出仁率在40%以上、含油量在70%以上为优良单株的选育标准，初选收集了70个优良单株[7];方亮等调查了南京市树龄为30年左右的18个薄壳山核桃品种果实的果质量、果形指数、出仁率、种仁含油率，采用综合评分法初步筛选2个优良品种，5个次选优良品种[8];2012年，耿国民等分析了9个美国山核桃单株的果实形态特征[9];朱灿灿等在测定不同品种薄壳山核桃在南京地区种植的果实形态与品质后[10]，指出反映果实外部形态和品质特征的12个指标可归纳为果实大小、果仁出油率与果仁碳水化合物3个主成分。

然而，以上研究均未涉及株产量，而美国薄壳山核桃果实品质应包含外在和内在品质，因此，笔者从江西省林业科学院早期种植基地各薄壳山核桃实生种源优株的产量、果实形态指标与油脂脂肪酸组成成分这些内在品质指标着手，参照酸枣[11]、柑橘[12-13]、葡萄[14]、猕猴桃[15]等种质资源研究过程中采用的主成分分析法，筛选美国薄壳山核桃品质贡献的关键指标，并用隶数函数值法综合评价，以期为江西省美国薄壳山核桃良种的选育、品种改良及产业规划提供参考依据。

1 试验区概况

1999年春季，江西省林业科学院从美国德克萨斯州引种美国薄壳山核桃种子，繁育大量苗木销往全省各地，试验地位于江西省丰城市鑫植源农业生态科技开发有限公司湖塘乡燕山村富硒梨基地（地理位置为28°16′40″N、115°33′42″E）。该区属于亚热带湿润季风区，年平均气温为17.9 ℃，年平均降水量为1 459 mm，无霜期300 d以上;土壤为由沙质板岩发育而成的红壤，土层厚度在80 cm以上，pH值为4.8，海拔为220～300 m，坡度为3°～40°，林分已进入挂果期。

2 材料与方法

2.1 试验材料

美国薄壳山核桃实生苗由江西省林业科学院繁育，种子来源于美国德克萨斯州。于2010年3月营造试验林，造林密度为4.0 m×5.0 m，管理较为粗放。

2.2 调查与测定方法

2017年3—12月，笔者所在项目组对20株美国薄壳山核桃实生种源的生长状况展开调查，每个实生种源选定优株挂牌调查其冠幅面积、胸径，并在果皮微开裂时人工采摘鲜果。

2.2.1 果实及种子的形态测定

对完整的果实进行脱蒲处理后，对果长和果径进行测量，剥壳后测其果壳厚度并称量果仁质量，计算出籽率;然后剥壳、取仁，测量果壳厚度并称量果仁质量，计算出仁率。完成果实形态测定后，将种仁在55 ℃烘箱中烘干，粉碎，供分析测试用。

2.2.2 脂肪酸与蛋白质营养成分的测定方法

脂肪酸组成的测定采用GC-2010 Plus气相色谱仪，色谱条件：色谱柱为CD-2560（100 m×0.25 mm×0.2 μm），检测器为氢火焰检测器（FID），检测器温度为260 ℃，进样口温度为250 ℃，载气流速为1.0 mL/min，分流比为30 ∶1，程序升温（140 ℃保留5 min，4 ℃/min升温至240 ℃保留30 min），进样量为1 mL。采用凯氏定氮法测定蛋白质含量。

2.3 数据处理

采用SPSS 12.0与DPS 6.05数据处理系统进行主成分结果分析，其他所有统计分析均采用Excel。品质综合评价采用隶属函数法综合评价各核桃种质资源的性状优劣，先采用模糊数学隶属函数公式进行定量转换，再将各指标的隶属函数值取平均值进行比较。与品质呈正相关的指标采用式（1）进行计算，而呈负相关的指标采用式（2）进行计算，平均隶属函数值越大表示品质越佳。

X（u）=X-XminXmax-Xmin;（1）

X（u） =1-X-XminXmax-Xmin。（2）

式中：X（u）表示隶属函数值;X表示某一指标的测定值;Xmin表示某一指标测定值中的最小值;Xmax表示某一指标测定值中的最大值。

3 结果与分析

3.1 各参试种源果实的品质分析

由表1可以看出20个美国薄壳山核桃优株的经济性状指标变异状况。各优株间冠幅产量的变异强度最大，丰城4号的冠幅产量是丰城3号的33倍，各种源的变异系数达90.65%;其次是顺-11-二十烷烯酸、亚油酸含量及仁质量的变异程度较大，分别达到34.08%、33.33%与32.36%。棕榈酸含量的变异系数较小，低于10%，遗传变异较小，相对稳定;果高、出仁率、蛋白质含量等性状均达到中等强度的变异程度，其中果壳厚度最薄的为丰城8号、丰城6号、丰城4号，分别仅有0.75、0.83、0.83 mm;变异强度大小依次是冠幅产量>顺-11-二十烷烯酸含量>亚油酸含量>仁质量>α-亚麻酸含量>果壳厚>单果质量>果径>硬脂酸含量>果形指数>花生酸>蛋白质含量>出仁率>油酸含量>果高>含油率>棕榈酸含量。研究结果为美国薄壳山核桃实生种源中的良种筛选建立了基础。

3.2 主成分分析

采用主成分分析法，对美国薄壳山核桃20个实生种源单株进行经济性状指标的综合评价。由表2可知，前5个主成分PC1～PC5的贡献率分别为35.05%、18.88%、13.99%、7.59%、6.66%，累积贡献率达到82.17%，已能反映17个品质指标的大部分信息，说明PC1、PC2、PC3、PC4、PC5 5个主成分起的作用最为重要。

由表3可知，通过前5个主成分反映的各指标在各种源测定中所起的作用有差异。根据17个指标的相关矩阵及表3的主成分分析因子载荷矩阵可知，PC1主要由变量含油率、油酸含量、单果质量、棕榈酸含量、亚油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量决定，它们作用在第1因子的荷载分别为0.924、0.895、0.516、-0.609、-0.873、-0.813、-0.532;含油率、油酸含量、单果质量呈正相关关系，棕榈酸、亚油酸、花生酸、硬脂酸含量则呈负相关关系。PC2主要由出仁率、仁质量、果径、单果质量及果壳厚度决定，作用载荷分别为0.776、0.739、0.715、0.544和-0.558;PC3主要由果高、果形指数决定，其作用载荷分别为0.672、0.680;PC4主要由冠幅产量决定，作用载荷为-0.500;PC5主要由蛋白质含量决定，作用载荷为0.724。由于第1主成分贡献率与第2主成分贡献率分别达到35.05%和18.88%，因此，种仁含油率、油酸含量、单果质量、出仁率、仁质量、果径在美国山核桃的17个性状指标中占据正向决定地位，而棕榈酸、亚油酸、花生酸、硬脂酸含量与果壳厚度为负向决定因子。

3.3 隶属函数值法综合评价

本研究在综合评价时，冠幅产量、单果质量、果高、果径、仁质量、出仁率、蛋白质含量、含油率、油酸含量、顺-11-二十烷烯酸含量、α-亚麻酸含量采用式（1）计算，果形指数、棕榈酸含量、硬脂酸含量、亚油酸含量采用式（2）计算。

各项指标的隶属度值和综合评价结果见表4，可以得出各种源品质优劣排序为丰城4号>丰城6号>丰城36号>丰城2号>丰城5号>丰城34号>丰城8号>丰城10号>丰城12号>丰城27号>丰城9号>丰城16号>丰城29号>丰城11号>丰城39号>丰城38号>丰城28号>丰城3号>丰城24号>丰城26号。

3.4 聚类分析

利用美国薄壳山核桃冠幅产量、单果质量、果高、果径、壳厚、仁质量、出仁率、蛋白质、含油率、棕榈酸含量、硬脂酸含量、油酸含量、亚油酸含量、花生酸含量、顺-11-二十烷烯酸含量、α-亚麻酸含量16个性状指标对美国薄壳山核桃20个种质资源采用离差平方和法进行聚类。图1的聚类结果显示，20个美国薄壳山核桃综合性状距离分布范围为0.231 0～1.792，其中丰城27号与丰城29号的综合性状距离最小，只有0.231 0，丰城2号与丰城11号种源之间的综合性状距离最大，达到0.578 2;在距离1.022 7以内，20个核桃种源被分成4個大类。

Ⅰ类丰城2号、丰城10号、丰城11号、丰城38号、丰城39号，其特点是壳较厚、种仁含油率与油酸含量均较高，果形指数较大，平均果壳厚度为（1.47±0.436） mm，平均油酸含量为（74.04±3.866）%，平均种仁含油率为（71.063±3.195）%，平均果形指数为1.70±0.261。

Ⅱ类丰城3号、丰城4号、丰城5号、丰城8号、丰城9号、丰城27号、丰城28号与丰城29号，其特点是冠幅产量、含油率最高，出仁率也较高;平均冠幅产量为（0.175±0.211） kg/株，平均种仁含油率为（70.903±3.145）%，平均出仁率为（40.19±5.795）%。

Ⅲ类丰城6号、丰城12号、丰城16号、丰城34号、丰城36号，特点是单果与果仁质量大，果高、果径最大，果壳薄，出仁率、蛋白质含量最高，平均单果质量为（4.63±1.109） g、平均果高为（31.918±2.623） mm，平均果径为（22.282±6.146） mm，平均果壳厚度为（1.132±0.262） mm，平均仁质量为（1.993±0.446） g，平均出仁率为（43.397±4.942）%，平均蛋白质含量为（10.081±0.588）%。

Ⅳ类丰城24号、丰城26号，特点是棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、花生酸、顺-11-二十烷烯酸、α-亚麻酸含量最高，棕榈酸含量为（5.654±0.021）%，硬脂酸含量为（2.387±0.504）%，亚油酸含量为（39.627±6.679）%，花生酸含量为（0.12±0.005）%，顺-11-二十烷烯酸含量为（2.024±0.137）%，α- 亚麻酸含量为（0.009±0.001）%。

4 讨论与结论

变异系数能反映各种质资源性状在进化保守性或遗传可塑性方面的不同，可为其品种或变异类型选育提供依据。本研究中，20株美国薄壳山核桃实生种源间各品质指标的变异系数存在很大的差异，最低的仅为8.04%（棕榈酸含量），最高的达到90.65%（冠幅产量），其次是顺-11-二十烷烯酸、亚油酸含量及仁质量的变异系数较大，为32.36%～34.08%;果高、出仁率、蛋白质含量等性状的变异程度中等，变异系数为11.70%～14.74%。以上反映出来源于美国德克萨斯州的薄壳山核桃种质间存在较大的遗传差异，从而为优异种质资源发掘提供了丰富的选择空间。

主成分分析法可在最大程度保留原有信息的前提下，利用数目较少且相互独立的关键性指标去代表数目较多且彼此相关的指标[16-17]。由于薄壳山核桃果实品质测定指标间的单位量纲不同，为消除不同指标因单位不同及正负指标对分析结果的影响，本研究同阮敏等一样对原始数据采用隶属函数法进行转化，消除了不同评价指标对评价体系的正负影响，未采用因子分析法评价品质优劣[18-19]。

本研究中样品中前5个主成分的累计贡献率达到82.17%，且各指标是综合的、相互独立的指标，基本反映了全部数据信息;利用加权思想对前5个主成分进行转化，从而获取其综合分值，能客观反映不同优株果实品质的优劣;测定的美国薄壳山核桃的17个性状指标中，种仁含油率、油酸含量、单果质量、出仁率、仁质量、果径、棕榈酸含量、亚油酸含量、花生酸含量、硬脂酸含量与果壳厚度可作为其种质品质综合性状评价的主要指标。

利用隶数函数值，得出的美国薄壳山核桃各实生种质优劣顺序依次是丰城4号、丰城6号、丰城36号、丰城2号、丰城5号、丰城34号、丰城8号、丰城10号、丰城12号、丰城27号、丰城9号、丰城16号、丰城29号、丰城11号、丰城39号、丰城38号、丰城28号、丰城3号、丰城24号、丰城26号，其中丰城4号、丰城5号、丰城27号的种仁含油率、出籽率与亚油酸含量均达到了良种的考核指标[7]。

本研究中通过聚类分析把美国山核桃实生种源分4类。Ⅰ类种质资源的果壳较厚，但种仁含油率与油酸含量高，可作为杂交育种材料;Ⅱ类种质资源的特点是冠幅产量与种仁含油率高，出仁率较高，适于规模化推广;Ⅲ类种质资源的单果质量大，果高、果径大，果壳薄，仁质量、出仁率、蛋白质含量高，适于高品质的核桃良种筛选;Ⅳ类特点是棕榈酸、硬脂酸、亚油酸、花生酸、顺-11-二十烷烯酸、α-亚麻酸含量均较高，可作为功能型核桃开发。

目前，在美国山核桃的选育中，主要对其出仁率、坚果质量、含油率等主要经济性状进行加权计分后的综合得分选优[20]。谢孝福等以坚果薄、种仁出仁率与含油率高及味香甜作为选优标准[7]，朱灿灿等认为，果实大小、种仁含油率粗脂肪、可溶性糖、蛋白质含量等是评价的关键指标[10]，本研究结果与谢孝福等的研究结果[7，10]一致，但蛋白质含量指标未作为关键评价指标，而增加了单株冠幅产量、果径大小及油酸为正向指标，亚油酸、棕榈酸、花生酸、硬脂酸含量为负向评价指标，应该更全面与可靠，至于粗脂肪、可溶性糖与蛋白质含量可否作为筛选良种的品质指标，有待进一步的研究。

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