瓠瓜果實品質性狀因子分析和綜合評價

汪 穎,王 尖,馮子珊,汪寶根,吳新義,魯忠富,孫玉燕,董文其,李國景,吳曉花

(浙江省農業科學院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

瓠瓜[Lagenariasiceraria(Molina) Standl.](2n=2x=22)別名瓠子、長瓜、夜開花、葫蘆等,隸屬于葫蘆科葫蘆屬,為一年生草本植物,具有重要的經濟價值。瓠瓜幼嫩果實可作蔬菜,成熟果實用作器具、飾品等,為西瓜、甜瓜等作物嫁接用砧木[1-2],是我國南方地區重要特色蔬菜作物之一,近年來在山東等北方省份栽培面積迅速增長,目前全國栽植面積約13萬hm2。瓠瓜栽培效益較高,產值可達22.5萬～45.0萬元·hm-2。

目前,便于運輸的長棒形瓠瓜市場占有率高,但追求風味品質的消費者則更傾向于購買市場占有率較低的近圓形、牛腿形、葫蘆形或短棒形瓠瓜。隨著人民生活水平的提高,果實品質已成為瓠瓜市場競爭力的核心,高品質育種已成為瓠瓜育種未來發展的趨勢,但當前瓠瓜市場缺乏高端產品質量標準,瓠瓜品質受多種因素影響且各因素影響效果未明,缺乏品質代表性指標,本課題組前期研究找到游離谷氨酸含量是影響瓠瓜鮮味的主要因子之一,然而,由于瓠瓜品質為復雜性狀,更多的品質因子尚未鑒定,缺乏標準的客觀的品質評價體系,因此,尋求簡單、準確的瓠瓜品質評估方法是瓠瓜產業提質增效的重要任務之一。

在園藝作物品質評價指標的選擇上,學者們大多采用主成分分析法,如臍橙品質評價因子的選擇研究[3],桃、楊梅、棗等的品質綜合分析以及加工型黃瓜、番茄等的品質分析和分類[4-8]。因子分析方法,與主成分分析方法類似,也是一種較為常用的進行多指標綜合的多元統計方法[9],其基本原理是通過降維步驟,將多個測量指標轉化為少數的、相互獨立的新指標,再根據各樣品的因子得分,客觀、合理地綜合評價[10]。目前,在砂梨、制干棗、無花果品質指標分析與綜合評價、甜瓜果實品質綜合評價和種質材料選擇等方面已有應用[11-14]。

本研究以206份瓠瓜自然群體為試材,對可能影響瓠瓜果實品質的瓜長、瓜橫徑、肉厚、單瓜重、含水量、可溶性固形物含量、硬度、蛋白質含量以及20種氨基酸,包括天冬氨酸(Asp)、蘇氨酸(Thr)、絲氨酸(Ser)、谷氨酸(Glu)、甘氨酸(Gly)、丙氨酸(Ala)、半胱氨酸(Cys)、纈氨酸(Val)、蛋氨酸(Met)、異亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)、酪氨酸(Tyr)、苯丙氨酸(Phe)、γ-氨基丁酸(g-ABA)、賴氨酸(Lys)、游離氨(NH3)、組氨酸(His)、精氨酸(Arg)、脯氨酸(Pro)、總氨基酸含量等28項指標,綜合運用相關性分析、因子分析、多元線性回歸等多種多元統計分析方法,明確了各指標間的相互關系,選擇了瓠瓜果實品質的代表性指標,構建了瓠瓜品質量化評分模型并進一步綜合評價了206份瓠瓜種質材料的品質。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的206份瓠瓜種質材料[15]均由浙江省農業科學院蔬菜研究所豇豆瓠瓜研究室提供。所有材料均于2021年春季種植于浙江省農業科學院海寧楊渡實驗創新基地(30°N,120°E)。采用人字架栽培,畦寬連溝1.6 m。雙行種植,行距75 cm,株距50 cm,每份材料種植20株。相同栽培管理措施。

1.2 游離氨基酸含量測定

參照Wu等[16]的測定方法,在瓠瓜果實商品成熟期(花后7～10 d),采摘瓜型勻稱、大小一致的嫩果,每份材料采摘9個商品瓜,3個果實一組,每組均取果實中間段果肉,混合制成勻漿,每份材料3個重復。檢測時,每份勻漿樣品稱取1.5 g,放入15 mL離心管中,加入3%水楊酸準確定容至8 mL,室溫下振蕩1 h,12 000 r·min-1離心10 min,用一次性注射器抽取上清液,用400目水相過濾器過濾上清液,用日立L-8900氨基酸自動分析儀檢測樣品中各游離氨基酸的含量。

1.3 瓠瓜果實硬度測定

基于質構儀穿刺檢測瓠瓜果肉硬度,具體操作步驟為:在瓠瓜果實商品成熟期,采摘瓜型勻稱、大小一致的嫩果,每份材料采摘3個商品瓜,每個商品瓜均取果實中間段果肉,并切成3個邊長約2 cm的正方體塊,分別將每個小正方體塊置于探頭下,將TMS-Pro型質構儀設置為穿刺模式,使用100 N穿刺程序,調最大的力為96 N,起始力為0.05 N,穿刺距離10 mm,穿刺速度30 mm·min-1,回程距離20 mm,回程速度50 mm·min-1,最終取穿刺果肉的最大力作為衡量果肉硬度的指標。

1.4 瓠瓜果實蛋白質含量測定

采用硫酸消解,凱氏定氮法測定粗蛋白含量,具體步驟包括:準確稱取凍干樣品0.2 g(精確值0.1 mg)左右,加入消化管,再加入混合催化劑3 g K2SO4、0.2 g CuSO4,加入10 mL濃硫酸。利用石墨消解爐進行消解,將消化管放在石墨爐上,蓋上排氣罩,連接廢氣吸收系統,消化過程采用曲線升溫模式,設定消解參數。消解樣品到澄清狀態,K1100全自動凱氏定氮儀測定。

1.5 數據統計與分析

本試驗所有數據均使用 Excel 軟件整理,利用SPSS 22.0統計軟件進行28項瓠瓜果實品質指標間的相關性分析、因子分析、多元線性回歸分析[17]。瓜長、瓜橫徑、單果重數據為6個重復,其他指標均設3個重復。

2 結果與分析

2.1 瓠瓜各果實品質指標的變異性

瓠瓜果實品質28項指標的平均值、最大值、最小值、標準差和變異系數見表1,各指標變異系數在2.71%～63.60%。瓠瓜果實品質各指標中,變異系數最大的是游離谷氨酸(Glu)含量,為63.60%,變異系數最小的是含水量,僅為2.71%,其他指標的變異系數在23.36%～54.67%。從表1可見,瓠瓜果實的游離氨基酸含量和氨基酸總量的變異系數均較大,在33.75%～63.60%,此外,硬度和瓜長的變異系數也較大。除瓠瓜果實含水量之外,蛋白質含量的變異系數最小,為23.36%。

2.2 瓠瓜不同品質指標的相關性分析

對瓠瓜28項不同品質性狀相關指標進行了相關性分析,從圖1可知,28項果實品質指標間表現出不同程度的正相關性和負相關性。其中20種游離氨基酸兩兩之間呈極顯著正相關(P<0.01);瓜橫徑、肉厚、單瓜重兩兩之間呈極顯著正相關(P<0.01);瓜長、瓜橫徑與肉厚呈極顯著負相關,此外,瓜長還與硬度、Glu含量、Gly含量、Met含量等呈極顯著負相關;可溶性固形物含量與含水量呈極顯著負相關,與硬度呈極顯著正相關;蛋白質含量與瓜長、含水量呈極顯著正相關,與Glu含量呈顯著正相關,而與肉厚呈極顯著負相關。Glu含量與瓜長、瓜橫徑、肉厚、單瓜重存在不同程度的負相關性,而與硬度和蛋白質含量呈不同程度的正相關性;總游離氨基酸除了與不同游離氨基酸呈極顯著正相關外,還與瓜橫徑、肉厚和單瓜重呈極顯著負相關,與硬度和蛋白質呈極顯著正相關(圖1)。

1～28分別代表瓜長、瓜橫徑、肉厚、單瓜重、含水量、可溶性固形物含量、硬度、蛋白質含量,以及天冬氨酸、蘇氨酸、絲氨酸、谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、纈氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、γ-氨基丁酸、賴氨酸、游離氨、組氨酸、精氨酸、脯氨酸、總氨基酸含量。1-28 represents fruit length, fruit diameter, flesh thickness, single fruit weight, water content, soluble solids content, hardness, protein content, and the contents of Asp, Thr, Ser, Glu, Gly, Ala, Cys, Val, Met, Ile, Leu, Tyr, Phe, GABA, Lys, NH3, His, Arg, Pro, total amino acids, respectively.

2.3 瓠瓜品質指標的篩選

將瓠瓜果實品質性狀相關的28項指標進行因子分析,標準為旋轉后的因子載荷矩陣和起始特征值大于1,如表2,得到F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8和F9共9個公因子。以旋轉元件矩陣中的載荷值的絕對值大于0.8的指標為解釋指標(下同)。F1解釋指標較多,主要集中于游離氨基酸類,分別為Thr、Glu、Gly、Val、Ile、Leu、His和總氨基酸含量;F2解釋指標為瓜長;F3解釋指標為瓜橫徑和肉厚;F5解釋指標為可溶性固形物含量;F7解釋指標為蛋白質含量;F8解釋指標為含水量;F9解釋指標為硬度。按照該標準F4和F6無解釋指標。F1～F9方差貢獻率分別為38.46%、5.64%、9.34%、3.46%、4.36%、4.90%、4.31%、5.14%和11.17%,累計方差貢獻率 86.78%(>85%),可以反映瓠瓜果實品質性狀相關指標的足夠信息[17]。因此,依據各因子方差貢獻率,建立瓠瓜品質量化評分模型Y品質性狀=0.3846F1+0.0564F2+0.0934F3+0.0346F4+0.0436F5+0.0490F6+0.0431F7+0.0514F8+0.1117F9。進一步計算出各瓠瓜種質材料的Y品質性狀得分,以瓠瓜種質材料的Y品質性狀得分為因變量,9個公因子所包含的15個指標為自變量,利用逐步回歸分析,得到3個有效預測模型(R2>0.9,下同),任選其中一個有效預測模型,計算各瓠瓜種質材料的Y品質性狀-2得分。利用相關性分析分析各瓠瓜種質材料的Y品質性狀得分和Y品質性狀-2得分的相關性,結果表明,Y品質性狀得分和Y品質性狀-2得分極顯著相關(0.998 2**),說明瓠瓜品質量化評分模型Y具有較高的預測準確性,可以用該模型對瓠瓜206份種質材料進行評價,Thr、Glu、Gly、Val、Ile、Leu、His含量,以及總氨基酸含量、瓜長、瓜橫徑、肉厚、可溶性固形物含量、蛋白質含量、含水量、硬度這15項指標可以代表瓠瓜果實品質性狀及其在不同材料間的差異。

表2 瓠瓜果實品質性狀旋轉后的因子載荷值

2.4 瓠瓜不同品質指標的聚類分析

利用瓠瓜果實品質性狀相關的28項指標數據,采用歐式距離、組間平均鏈接法[18]和主成分分析等結果將瓠瓜果實各品質指標進行聚類分析,利用SPSS22.0軟件計算輸出聚類分析樹形圖,如圖2。從圖中可以看出,聚類分析將瓠瓜果實28個品質相關因子聚成5類,可溶性固形物含量和瓜長2個指標聚成一類,Pro、Lys、Met、g-ABA、Asp、Cys含量和硬度這7個指標聚成一類,Leu、Val、Ile、His、Phe、Tyr、Arg、總氨基酸、Ser、Ala、Gly、Thr、NH3和Glu含量這14個指標聚成一類,蛋白質和含水量這2個指標聚成一類,單瓜重、肉厚和瓜橫徑這3個指標聚成一類。不同類的各指標間具有相對獨立性,同一類的各指標間具有較強的正相關性。

圖2 瓠瓜不同品質指標的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of different quality traits of bottle gourd

2.5 瓠瓜不同品質指標的簡化

本著指標易用和避免重復的原則,根據瓠瓜果實品質性狀相關的28項指標數據的相關性分析和聚類分析結果,結合前人研究經驗,進行了指標簡化?？扇苄怨绦挝锖亢凸祥L聚成一類,選擇可溶性固形物含量為代表性指標;Pro、Lys、Met、g-ABA、Asp、Cys含量和硬度這7個指標聚成一類,相關性分析結果顯示,除Thr含量之外,硬度與各個游離氨基酸及總氨基酸含量均呈極顯著正相關,所以這類選擇硬度為代表性指標;Leu、Val、Ile、His、Phe、Tyr、Arg、總氨基酸、Ser、Ala、Gly、Thr、NH3和Glu含量這14個指標聚成一類,Glu含量是前期鑒定的瓠瓜鮮味關鍵因子之一[16],而且其與各個游離氨基酸及總氨基酸含量均呈極顯著正相關,故這類選擇Glu含量為代表性指標;蛋白質和含水量這2個指標聚成一類,相關性分析顯示,二者呈極顯著正相關,選擇蛋白質為代表性指標;單瓜重、肉厚和瓜橫徑這3個指標聚成一類,相關性分析顯示,肉厚與單瓜重和瓜橫徑呈極顯著正相關,選擇肉厚為代表性指標。最終,將Thr、Glu、Gly、Val、Ile、Leu、His、總氨基酸含量,以及瓜長、瓜橫徑、肉厚、可溶性固形物含量、蛋白質含量、含水量、硬度這15項指標簡化為肉厚、可溶性固形物含量、硬度、Glu含量、蛋白質含量這5項代表性指標,用于綜合評估瓠瓜果實品質。

2.6 206份瓠瓜種質材料的品質評價

根據各因子得分及對應方差貢獻率,分別以第1公因子和第2公因子、第1公因子和第3公因子作二維排序圖(圖3)。從圖3-A可見,材料Z-126、Z-127 第1公因子較大,即各種游離氨基酸含量比較高。結合第2公因子,材料Z-25和Z-179瓜長最長,實際數據Z-25和Z-179瓜長確實較長,分別為52.67和56.33 cm。從圖3-B可見,材料Z-170第3公因子最小,即瓜橫徑和肉厚較大,實際數據測得材料Z-170瓜橫徑為13.67 cm,肉厚為1.93 cm,為所有材料靠前。結合瓠瓜品質量化評分模型Y品質性狀=0.3846F1+0.0564F2+0.0934F3+0.0346F4+0.0436F5+0.0490F6+0.0431F7+0.0514F8+0.1117F9,206份瓠瓜種質材料綜合品質得分見表3,各因子得分與綜合得分排名與二維排序結果基本一致,進一步驗證了本品質評價模型的準確性。此外,總排名靠前的為品質較優質的種質資源,可在育種中選擇應用。

圖3 206份瓠瓜種質資源各因子二維排序圖Fig.3 Two dimensional ordered graph of each factor of 206 bottle gourd germplasm collections

表3 206份瓠瓜種質資源綜合品質得分表

3 討論

果實品質是決定瓠瓜市場競爭力的關鍵因素,其是由多因子構成的綜合、復雜性狀。瓠瓜商品成熟果實生食時有微甜味,清炒或作湯后呈現較強的鮮味。鮮味是瓠瓜最重要的品質性狀之一,本課題組前期研究發現游離谷氨酸含量對瓠瓜鮮味起重要作用[16]。然而,游離谷氨酸含量僅是呈鮮物質中的一種,實地分析考察發現瓠瓜風味受眾多因素影響,包括含水量、硬度、可溶性固形物含量、蛋白質含量、其他氨基酸含量等。此外,還與瓜長、瓜橫徑、單瓜重等因素相關,如不同果形的瓠瓜品質不同,一般來說,長棒形瓠瓜的品質低于近圓形、牛腿形、葫蘆形或短棒形等瓠瓜。篩選瓠瓜品質構成因子及建立瓠瓜品質綜合評價技術體系將有助于主要瓠瓜種質資源的綜合評價和高品質優良品種的選育。

本研究研究了206份瓠瓜28項果實品質相關指標,變異分析發現各指標變異系數在2.71%～63.60%。變異系數最大的是游離谷氨酸含量,為63.60%,硬度和瓜長的變異系數也較大。變異系數最小的是含水量,變異系數僅為2.71%,除瓠瓜果實含水量之外,變異系數最小的為蛋白質含量,為23.36%。在前人瓜類作物研究中,單果重變異系數一般最大,如閆洪朗等[19]研究發現65個甜瓜品種的數量性狀指標中,變異系數最大的為單果重,為52.33%。尚建立等[20]評測了厚皮甜瓜和薄皮甜瓜遺傳多樣性,結果顯示,單果重變異系數也是最大,達74.3%。本研究中瓠瓜單瓜重的變異系數為36.91%(表1),較前人同為瓜類的研究偏低,可能與試驗選用的瓠瓜種質材料中無野生資源有關,野生資源一般偏小,單瓜重偏低,可增大群體的遺傳多樣性。

研究中206份瓠瓜種質資源的28項果實品質相關指標相關性分析顯示絕大多數品質相關指標存在顯著或極顯著相關性,說明這些性狀間既相對獨立,又密切相關。目前瓠瓜綜合品質評價指標過多且仍以主觀判斷為主,缺乏系統、科學的種質材料瓠瓜評價技術體系。因子分析作為最常用的統計分析方法之一,可最大程度保留原有信息,將多個變量綜合為少數幾個相互獨立的“因子”,從而有效代表數目較多且彼此相關的指標[9-10],在園藝作物品質綜合評價和種質材料選擇等方面已有應用[11-14]。本研究利用因子分析方法,首先建立了瓠瓜品質量化評分模型,并篩選出Thr、Glu、Gly、Val、Ile、Leu、His、總氨基酸含量,以及瓜長、瓜橫徑、肉厚、可溶性固形物含量、蛋白質含量、含水量、硬度這15項品質相關指標,代表了瓠瓜果實品質性狀及其在不同材料間的差異。進一步,我們利用28項品質指標數據的相關性分析和聚類分析結果,將指標簡化為肉厚、可溶性固形物含量、硬度、Glu含量、蛋白質含量這5項代表性指標,并綜合評估了206份瓠瓜種質材料果實品質。后續在瓠瓜高品質優良品種的選育中,可根據不同種質材料的不同優勢,選育和推廣滿足不同市場需求的瓠瓜新品種。