39個牡丹品種的形態(tài)學分類研究

韓雪源，張延龍，牛立新

(西北農林科技大學 林學院，陜西 楊凌712100)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)是芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(Paeonia)牡丹組(Sect.MoutonDC.)植物，為多年生木本灌木類[1]。牡丹是我國特有的植物資源，在我國有2 000多年的應用和栽培歷史[2]，目前世界各地廣為種植的牡丹均起源于中國。

根據(jù)牡丹親本來源、形態(tài)特征、生物學特性和地理分布的不同，可將我國栽培的牡丹品種劃分為4個品種群，即中原牡丹品種群、西北牡丹品種群、江南牡丹品種群和西南牡丹品種群。品種選育是牡丹產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要保障，需要不斷培育具有優(yōu)良性狀的栽培品種。但是，目前我國牡丹品種大多存在親緣關系不清、遺傳背景相近、育種工作效率低、品種出新率低等問題。因此，對牡丹品種進行清晰的分類非常重要。盡管各種同工酶標記和DNA分子標記已經被廣泛地應用于植物種質資源的鑒定及分類研究中[3-6]，但是形態(tài)性狀的鑒定和描述，仍然是種質資源研究的最基本的方法和途徑。1990年，秦魁杰和李嘉玨[7]首次提出牡丹品種分類的4系2類13型的三級分類系統(tǒng)。1998年，成仿云等[8]在對花色變化和花型演化等與品種形成有關的現(xiàn)象進行長期觀察后,提出了以花色為第一級分類標準的包括色、類、型、組和品種共5個分類等級的牡丹品種分類系統(tǒng)。本試驗結合數(shù)學分類方法，對39個牡丹品種的26個性狀進行統(tǒng)計分析和系統(tǒng)分類，以期探究牡丹品種分類的等級和標準，為牡丹的品種選育、遺傳多樣性和資源研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

試材選自西北農林科技大學牡丹園內的39個牡丹品種(表1)，其中包括32個中原牡丹品種、4個日本牡丹品種、1個法國牡丹品種和2個類群未知品種。植株平均年齡為9～10年。

表 1 供試牡丹品種及其所屬類群

續(xù)表 1 Continued table 1

1.2 牡丹形態(tài)性狀的觀測

2013-03-05，每個品種選取生長健壯的5株植株，待植株第1朵花開花后，選頂端第2和第3朵花分別掛牌標記，每天觀察記錄。葉子的測量以葉子停止生長時，當年生枝基部向上第3個葉柄上的葉子為標準。數(shù)量指標大多用游標卡尺測量，包括花朵高度、花橫徑、花梗長、復葉長、復葉寬、葉柄長和當年生枝長以及心皮數(shù)目。質量性狀采用目測，包括花期、花色、花瓣基部有無色斑、色斑顏色、色斑形狀、瓣端類型、花態(tài)、著花量、外花瓣輪數(shù)、花型、當年生枝顏色、葉面顏色、葉背有無毛、葉面暈否、雄蕊花絲顏色和雌蕊柱頭顏色等。每株每個形態(tài)性狀均測3次，最終數(shù)量性狀取其平均值。為減少顏色等性狀的變化誤差，每天下午15:00-16:00進行觀察，對比PAN-TONE色卡，記錄相關顏色性狀。

1.3 聚類性狀的選取與編碼

試驗選取花、莖、葉、果等各部位性狀做聚類分析。性狀編碼(表2)采用等級數(shù)量編碼的方法[9]：二元性狀按0或1進行編碼，可以區(qū)分性狀間的進化關系，將原始性狀編為0，進化性狀編為1；不易確定的，肯定狀態(tài)為1，否定狀態(tài)為0。有序多態(tài)性狀，盡可能按從原始性狀不斷進化的順序，取連續(xù)排列的正整數(shù)1，2，3，…進行編碼。無序多態(tài)性狀多按生物進化順序進行編碼。數(shù)值性狀不編碼，直接以原始數(shù)據(jù)形式進入下一步運算。

表 2 牡丹26個性狀及其編碼

續(xù)表 2 Continued table 2

1.4 數(shù)據(jù)處理

為了消除不同量綱對數(shù)據(jù)分析產生的影響，首先對原始數(shù)值矩陣進行標準化(STD)處理，即正規(guī)化處理，然后運用聚類分析軟件SPSS 18.0，對26個性狀進行R型聚類分析，聚類方法采用組間聯(lián)接，以Pearson相關性為度量標準，做出性狀指標聚類樹形圖。同時采用主成分分析，通過降維的方法將多個指標簡化為少數(shù)幾個綜合指標，使這幾個少數(shù)綜合指標可以反映原來所有指標的信息。根據(jù)R型聚類結果，去掉相關性大的性狀指標，再對牡丹品種進行Q型聚類分析，采用對試驗有較強分辨能力的平方Euclidean距離為度量標準，運用Ward聚類方法進行Q型聚類，并做出分類結果樹形圖。

2 結果與分析

2.1 39個牡丹品種26個性狀指標R型聚類

R型聚類是對研究對象的觀察指標進行分類，使具有共同特征的指標聚集在一起，以便選出具有代表性的觀察指標進行分析，減少分析變量的個數(shù)[10]；同時，為下一步進行Q型聚類分析時合理選取性狀提供參考。

由R型聚類輸出的樹形圖(圖1)可知，花瓣基部有無色斑與色斑顏色(r=0.766)、復葉長與復葉寬(r=0.659)、花瓣基部有無色斑與色斑形狀(r=0.615)的相關性較大。但因為色斑的有無是分辨不同品種的明顯指標，且色斑的有無與色斑的顏色和形狀無邏輯關系，而本試驗推測不同品種間色斑顏色與色斑形狀具有相關性，因此在Q型聚類時，保留花瓣基部有無色斑、色斑形狀和復葉長指標，而色斑顏色和復葉寬不參與Q型聚類。其余性狀指標間相關性基本不大。樹形圖中各指標較分散，說明這些性狀選取較合理，可以較好地劃分牡丹品種，均可用于Q型聚類分析。

2.2 39個牡丹品種22個性狀指標的主成分分析

由主成分分析結果(表3)可知，前10個主成分的總貢獻率為83.480%。第1主成分的貢獻率為16.129%，其中影響較大的性狀是花瓣基部有無色斑、色斑形狀和色斑顏色，其特征值均在0.750以上。第2主成分的貢獻率為13.787%，影響較大的性狀是復葉長和復葉寬，其特征值均在0.700以上。第3主成分的貢獻率為12.060%，影響較大的性狀是著花量、結實率和花橫徑，其特征值都在0.600以上。第4主成分的貢獻率為8.653%，影響較大的性狀是雄蕊花絲顏色、葉面暈否和花期，其特征值均在0.650以上。第5主成分的貢獻率是7.698%，影響較大的性狀是葉面顏色，其特征值是0.876。第6～10主成分的貢獻率分別為7.224%，5.640%，4.635%，4.130%和3.524%，對其影響較大的性狀依次是葉背有無毛和瓣端類型、當年生枝顏色、花色和雌蕊柱頭顏色、花梗長和葉柄長、花朵高度。

圖 1 牡丹26個性狀指標的R型聚類樹形圖

2.3 39個牡丹品種的Q型聚類

由Q型聚類分析樹形圖(圖2)可知，在等級結合線L1(D=20.75)處，39個品種被分為2大類，第1類為結實率較高、花期較早(除2個日本品種外)的品種類群，包括“趙粉”、“肉芙蓉”、“迎日紅”、“粉中冠”、“雪映桃花”、“二喬”、“紫二喬”、“三變賽玉”、“金星雪浪”、“虞姬艷妝”、“黑花魁”和“島錦”、“初烏”2個日本品種；第2類為結實率較低的品種類群，包括“狀元紅”、“綠香球”、“大胡紅”、“珊瑚臺”、“魏紫”、“紫藍魁”、“姚黃”、“首案紅”、“藏枝紅”、“紅寶石”、“卷葉紅”、“十八號”等26個品種。

表 3 牡丹22個性狀指標的主成分特征值、貢獻率和累計貢獻率

在L2(D= 17.54)處，39個品種被分為3類：第1類仍然為結實率較高的品種類群；第2類品種為結實率較低、且花瓣基部沒有色斑的品種類群，包括“狀元紅”、“綠香球”、“大胡紅”、“珊瑚臺”、“魏紫”、“紫藍魁”、“姚黃”、“首案紅”、“藏枝紅”；第3類是結實率較低、且花瓣基部有色斑的類群，包括“紅寶石”、“卷葉紅”、“十八號”、“菱花湛露”、“海黃”、“葛巾紫”、“烏龍捧盛”、“紅霞”、“花王”、“白鶴臥雪”、“日月錦”、“白雪塔”、“香玉”、“銀紅巧對”、“景玉”、“大棕紫”和“霓虹幻彩”。

在L3(D=12.50)處，39個品種被分為4類，其中“紅寶石”、“卷葉紅”、“十八號”被單獨分為一類， 但本試驗發(fā)現(xiàn)這3個品種與第3類品種“銀紅巧對”、“大棕紫”、“菱花湛露”、“紅霞”、“白鶴臥雪”等具有很多相似性狀，它們的瓣端類型為淺齒裂，雌蕊柱頭顏色基本為紅色，心皮數(shù)目較少，葉柄都較長，找不到明顯的分類依據(jù)。

圖 2 39個牡丹品種的Q型聚類樹形圖

3 討 論

關于牡丹品種分類性狀的選取問題，通過數(shù)量分類分析時，本試驗認為花期可以作為同一地區(qū)牡丹品種分類的重要指標。這與前人的研究有所不同，張亮等[11]在對西北地區(qū)紫斑牡丹傳統(tǒng)品種的數(shù)量分類研究中，考慮到不同地域及不同小氣候對花期有影響，因此在Q型聚類分析中未考慮花期數(shù)據(jù)。成仿云等[12]根據(jù)牡丹花色變化和花型演化提出了一個牡丹品種分類系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括色、類、型、組和品種共5個分類系統(tǒng)。然而此次試驗中，筆者建議將花型和花色作為牡丹品種分類的次級標準。因為即使在同一品種中，2種花型也可能同時出現(xiàn)?；ㄉ誀钜膊皇呛芊€(wěn)定，其隨時間而變化。一般初花期的花色較深，而盛花期和末花期的顏色都較淺，甚至由粉色或黃色變?yōu)榘咨?。周興文[13]也認為，花型或花色相同的牡丹品種并不一定聚在一起，只有在其他形態(tài)學性狀相差不大時才聚在一起，即只有親緣關系較近時才會聚在一起。這與前人將花色、花型作為牡丹品種分類的第一、二級標準[14]有所不同，有待進一步研究。

綜合分析后，筆者就牡丹品種分類性狀選取和分類標準問題，提出以下2點建議： 1)在進行R型聚類分析時，與花瓣基部色斑形狀和復葉長相關性較大的色斑顏色和復葉寬2個性狀變化較不穩(wěn)定。在類似試驗中，建議不選取此2項指標或者以復葉的長寬比代替復葉長、寬2個性狀。2)結實率、花瓣基部有無色斑可作為牡丹品種分類的第一、二級標準。它們主要由基因型決定，受外界環(huán)境影響小，能隨品種穩(wěn)定遺傳，在分類上的作用明顯，尤其對此次試驗的39個牡丹品種的分類貢獻較大?；ㄆ诳勺鳛槟档て贩N分類的第三級指標。雖然花期受外界環(huán)境影響較大，但是在同一地區(qū)的品種分類上，花期對分類結果有很大貢獻?；ㄐ秃突ㄉ鳛槟档て贩N分類的第四級標準。雖然花型和花色對牡丹品種分類有一定的貢獻，但其準確性較低。

本試驗對牡丹品種的分類結果，與前人的研究結果基本一致。國外牡丹品種(主要指日本牡丹品種)與中原牡丹品種親緣關系較近，即與孫俊婭[15]從花粉形態(tài)方面所得研究結果一致,本研究結果同時與侯小改等[16]從分子水平上發(fā)現(xiàn)部分中原牡丹品種與日本牡丹品種親緣關系相近的結論一致。筆者通過查閱大量文獻[2,17-19]，對于無法確定品種群歸屬的“金星雪浪”和“紅霞”進行綜合分析后推測：“金星雪浪”首先與“虞姬艷裝”、“紅霞”首先與“烏龍捧盛”聚為一類，說明他們的親緣關系較近，并且形態(tài)特征相似，因此初步認為“金星雪浪”、“紅霞”也均屬于中原牡丹品種群。

4 結 論

通過主成分分析和Q型聚類得出：結實率、花瓣基部有無色斑、花色、花期、花型、色斑形狀、雌蕊柱頭顏色、雄蕊花絲顏色、葉面暈否、葉背有無毛、葉面顏色、著花量、花朵橫徑、花梗長和葉柄長等性狀可以作為牡丹品種形態(tài)學分類的性狀指標。并且，相對于其他器官的性狀指標，花部器官的性狀情況對牡丹品種分類的影響更大。同時，結實率、花瓣基部有無色斑和花期是牡丹品種分類的主要標準和依據(jù)。

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