近10 a黃淮冬麥區北片水地區試小麥品種（系）品質的主成分分析

郝建宇，郭利磊，王 敏，曹 勇，馬小飛，張定一，姬虎太

（1.山西農業大學小麥研究所，山西臨汾040000；2.全國農業技術推廣服務中心，北京100125）

小麥（Triticum aestivumL.）是被廣泛種植的禾本科植物，世界上約40%的人口以小麥為主食[1]。我國作為最大的小麥生產國和消費國，2019年小麥播種面積和產量分別占我國糧食總播種面積的20%和糧食總產量的20%[2]，對于保障國家糧食安全意義重大。其中，秋播、耐寒的冬小麥能夠利用冬季和早春的自然資源[3]，在相對較長的生育期里積累較多的有機物且品質佳[4]，主要種植在我國黃淮平原北部[5-6]。近年來，我國小麥連年豐收，新品種在增產中發揮了重要作用，小麥良種對于增產的科技貢獻率已經達到45%以上[7]。小麥區域試驗是品種審定推廣的前提條件，通過科學、公正、客觀地評價新育成小麥品種（系）的高產穩產、抗性及品質[8]，可為新品種審定奠定基礎[9]。我國小麥區域試驗有相關技術規程指導[10]，新品種審定也有據可依[11-12]，國審小麥新品種品質主要選擇了容重、籽粒蛋白、濕面筋、吸水率、穩定時間、拉伸面積和最大阻力7個指標[11]。

但是目前小麥品質測試儀器比較多，測試指標及定等指標眾多，重復性較高，尋找一種簡捷的品質測定方法尤為重要[13]。主成分分析是多元統計分析中的重要方法，可在不丟掉主要信息的前提下，避開變量間共線性問題，從多個實測變量提取較少、互不相關的綜合指標，從而反映總體信息[14]。多個變量在主成分降維處理后，其結果可以進一步進行聚類分析[15-16]。主成分分析法應用于小麥品質評價的研究相對比較少。孫彩玲等[15]研究297份山東省區試小麥品種（系）得出，面筋指數、沉淀值、形成時間和穩定時間是影響小麥品質的主要因素；孫憲印等[17]探究了15份黃淮北片冬小麥品種（系）的情況，把9個主要品質指標壓縮成營養因子、加工因子、容重因子、吸水率因子，對小麥品質貢獻由大至小的4個因子依次為加工因子>營養因子>容重因子>吸水率因子；高歡歡等[18]研究結果表明，30份新疆春小麥的23個品種性狀指標歸于8個主成分，分別是淀粉糊化特性、粉質參數、蛋白質含量、降落數值、直鏈淀粉含量、面筋指數、峰值時間和沉淀值。

本研究以172份黃淮冬麥區北片水地組區試冬小麥品種（系）為材料，利用主成分分析和聚類分析方法分析容重、籽粒蛋白、濕面筋、吸水率、穩定時間、拉伸面積和最大阻力等7個品質指標，綜合評價區試品種（系）的品質狀況，旨在為評價小麥品質提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2009—2018年，參加國家黃淮北片冬小麥區域測試的品種（系）共172個，由全國農業技術推廣服務中心提供。

1.2 試驗方法

試驗選取土壤肥力均勻且具有代表性的地塊種植。試驗材料采用完全隨機區組排列，3次重復，小區面積13.34 m2，不少于6行區，試驗區四周設不少于2個小區的保護行。播種量為基本苗300萬株/hm2左右。當年10月1日至10月15日播種，大田管理按照當地小麥管理技術進行，次年全區收獲。全區機械收獲晾曬后儲藏作為品質測試材料。

1.3 測定項目及方法

容重[19]、籽粒蛋白[20]、濕面筋[21]分別按照GB/T 5498—2013、NY/T 1094.2—1982和GB/T 5506.2—2008標準方法測定；吸水率和穩定時間采用電子型粉質儀按照GB/T 14614—2006方法測定[22]；拉伸面積和最大阻力用電子型拉伸儀按照GB/T 14615—2006方法測定[23]。

1.4 數據統計

數據采用Office 2010進行整理，采用SPSS 24.0進行主成分分析。主成分分析首先將值不同、符號不同的原始變量進行標準化值轉化，消除量綱使其具有可比性；隨后采用降維思想將多個有聯系的品質性狀轉換為幾個特定的具有代表性、總結性的指標。在進行主成分分析數據標準化之前，用絕對值的方法要將值處理為正數。

2 結果與分析

2.1 黃淮冬麥區北片水地組小麥品質的相關性分析

指標間存在相關性是進行主成分分析的必要前提[24]，因此，在進行主成分分析前，先對小麥各品質指標進行相關性分析。由表1可知，容重和濕面筋含量分別與吸水率、穩定時間、拉伸面積和最大阻力呈極顯著相關性（P＜0.01），穩定時間與拉伸面積和最大阻力呈極顯著相關（P＜0.01），濕面筋含量與籽粒蛋白質呈極顯著相關（P＜0.01），籽粒蛋白和吸水率呈顯著相關（P＜0.05）。原因可能是由于吸水率不僅與小麥品種和其種植過程的有機物積累有關，還主要由籽粒質量和小麥磨粉過程決定[25]，穩定時間和拉伸面積反映面粉面筋的強度和韌性，主要由面筋蛋白質量決定。

表1 小麥品種（系）品質指標相關性分析

2.2 黃淮冬麥區北片水地組小麥品質的主成分分析通常取特征值累計貢獻率達80%，或特征值大

于1，或特征值統計檢驗顯著水平P＜0.05時的主成分數來解釋結果[14]。主成分分析作為綜合評價工具，只有第1主成分才是評價的綜合指標，其他主成分一般不具有綜合評價功能。但如果第1主成分貢獻率較低時，為增加信息量就采用按方差作為權重進行幾個主成分相加，從而保留原始數據中大部分乃至所有信息[14]。

由表2可知，第1主成分的貢獻率為44.186%，第2主成分的貢獻率為26.074%，前2項主成分累計貢獻率為70.261%；第3主成分貢獻率為15.385%，前3項主成分的累計貢獻率達到85.646%。表明前3項主成分足以代表小麥的品質信息。

表2 小麥品質指標的特征值及貢獻率

由表3可知，第1主成分主要包含穩定時間、拉伸面積和最大阻力，反映面團流變學特性；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉濕面筋含量，反映小麥蛋白質特性；第3成分主要包含容重和吸水率，與面粉出粉率相關指標。其中，第1主成分中的穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力權重系數均達到0.9以上，結合表2可知，第1主成分貢獻率達到了44%以上。因此認為，這3個因素是影響小麥品質的主要因素。

表3 成分矩陣

構建各主成分與小麥品質各指標之間的線性關系得出，第1主成分Y1＝0.137X1－0.089X2－0.172X3－0.024X4＋0.291X5＋0.293X6＋0.301 0X7，第2主 成 分Y2＝0.124X1＋0.465X2＋0.430X3＋0.294X4＋0.115X5＋0.159X6＋0.080X7，第3主成分Y3＝0.615X1－0.304X2－0.153X3＋0.613X4－0.155X5－0.139X6－0.121X7。

由表4可知，排名靠前的山農116、淄麥28、濟麥44通過了山東省強筋小麥品種審定，排名第3的新麥28（原名新麥0208）通過了2014年河南省強筋小麥品種審定；排名第10的泰科麥33通過了2018年國家中強筋小麥品種審定；排名前25名通過國家中筋小麥審定的品種有3個，分別是山農2149、中麥155、堯麥16，通過河南省審的品種有1個，即河農5290。本研究結果樣品品質綜合得分和實際表現基本吻合，且可較系統直觀地判斷品種（系）性狀的優劣，故而此方法可應用于小麥品種（系）品質評價，對育種工作和品種（系）評價提供依據。

表4 主成分分析綜合得分排名

續表4

3 結論與討論

小麥品種品質指標眾多，相互影響，關系復雜。以主成分分析法剖析小麥的眾多品質指標可以在不丟掉小麥品種及其面粉主要信息的前提下，避開各指標間共線性問題，從多個實測指標中提取出較少且互不相關的綜合指標，從而反映小麥品種籽粒和面粉的綜合信息。加工品質性狀是對種質資源進行評價的重要標準，目前小麥的新品種審定注重品質指標，不斷優化區試審定評價指標。通過對2009—2018年10 a間172份參加國家小麥品種審定的品種（系）的7個品質審定指標進行主成分分析，結果顯示，第1主成分主要包含穩定時間、拉伸面積和最大阻力，反映面團流變學特性，其累計貢獻率為44.186%；第2主成分主要包含籽粒蛋白和面粉濕面筋含量，反映小麥蛋白質特性，前2項主成分累計貢獻率為70.261%；第3主成分主要包含容重和吸水率，前3項主成分累計貢獻率為85.646%，前3項主成分足以代表原指標信息，其中，穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力權重系數達到0.9以上，得出穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力是影響小麥品質的主要因素，該結果可為提高品質育種選擇效率以及為黃淮北片水地冬小麥品質育種和改良提供參考，主成分分析可以用于小麥品種（系）品質的綜合評價。本研究中，穩定時間是影響小麥品質的主要因素之一，與孫彩玲等[15]的研究結果一致；面團流變學特性因子對小麥品質的貢獻率最高，與孫憲印等[17]的研究結果一致，但與與高歡歡等[18]的研究結果略有出入，可能是由所選指標數量和種類不同造成的。

本研究通過籽粒蛋白、濕面筋含量的快速檢測在小麥早期育種發揮重要作用，在優質小麥高代育種加強對粉質穩定時間、拉伸面積和最大阻力的選擇，有利于優質小麥的選擇效率和綜合評價的準確性。其中，粉質穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力的測定在優質強筋育種中意義重大，是一些小麥專用粉如面包粉的評價指標。強筋小麥品種審定品質指標要求，在其他指標達標的情況下，穩定時間不小于7 min，最大拉伸阻力不低于350 EU，拉伸面積不低于80 cm2。

建議首先通過快速檢測指標（籽粒蛋白、濕面筋含量）對大量品種進行粗篩分類，然后通過重要指標（穩定時間、拉伸面積和最大拉伸阻力）對苗頭品系進行驗證，從而篩選出優質強筋品系；其次對中筋小麥分類標準細化，非達標品種不再劃歸中筋類型。所以目前，優質小麥品種的培育還有很大潛力，優質專用粉的開發還有很大空間，決定了品質指標對小麥早期育種的重要性。