梔子栽培品種與近緣種的數(shù)量分類

鄧紹勇，楊 歡，朱培林，陳宜均，李 婷，李康琴*

（1.江西省林業(yè)科學(xué)院，江西 南昌 330032；2.江西官山國家級自然保護(hù)區(qū)管理局，江西 宜豐 336300）

【研究意義】我國有梔子屬（Gardenia）植物6種，即梔子（G.jasminoides）、狹葉梔子（G.stenophylla）、大黃梔子（G.sootepensis）、海南梔子（G.hainanensis）、匙葉梔子（G.angkorensis）、卷萼梔子（G.reflexisepala）[1-2]，僅梔子分布廣泛且普遍栽培。梔子作為香花植物，不僅栽培用于觀賞，有較多開重瓣花的觀賞品種。梔子果實(shí)還是常用的大宗藥材和優(yōu)質(zhì)的色素原料，有著悠久的栽培歷史，使得梔子果用栽培群體的變異類型也相當(dāng)豐富[3-6]，并形成了一些較為穩(wěn)定且有一定種植規(guī)模的品種類型。如來自廣西的長果型水梔子[7]，來自福建浙江等地的果大棱寬型水梔子[8]等。采用數(shù)量分類的研究方法對這些豐富的梔子栽培品種進(jìn)行分類研究，可以探索梔子品種的分類等級和分類標(biāo)準(zhǔn)，并且為梔子品種間親緣關(guān)系、形態(tài)分類和品種選育研究提供參考依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人對梔子不同類型尤其是果用梔子進(jìn)行的整理歸類做了大量工作，如從梔子的形態(tài)分類，將道地主產(chǎn)區(qū)江西省的梔子分為25個類型[5]。結(jié)合表型等參數(shù)，周昌華等[3]對川產(chǎn)山梔子進(jìn)行了種質(zhì)分類和篩選，劉若楠[6]對農(nóng)家栽培的梔子品種的性狀及化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)合主成分分析法對梔子不同品種進(jìn)行綜合分類評價。鄧紹勇等[9]對梔子品種進(jìn)行規(guī)范描述和科學(xué)命名，系統(tǒng)整理出梔子品種15個，初步解決了梔子種的等級名稱使用混亂的問題。但以往對梔子品種的分類研究總體上還存在品種的歸類不夠系統(tǒng)全面，品種分類性狀較少，分類的主觀性較強(qiáng)，準(zhǔn)確描述和界定的梔子品種較少，也沒有劃分品種群，栽培品種和近緣種的親緣關(guān)系不明確等諸多問題?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】以數(shù)量分類的方法來對植物品種進(jìn)行分類，能夠把主觀的定性描述變成更加客觀的定量分析，把大量的形態(tài)性狀進(jìn)行全面的綜合分析，能使植物品種的分類更加科學(xué)準(zhǔn)確[10]，已經(jīng)成功應(yīng)用于木槿[11]、梅花[12]、石榴[13]、紫薇[14]、桂花[15]、木瓜屬[16]、蠟梅[17]等的品種分類研究，梔子屬植物在我國有著悠久的栽培歷史，梔子品種資源也極其豐富，把這種客觀的、定量的數(shù)量分類方法應(yīng)用到梔子品種分類中來是很有必要的?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對20個梔子品種及2個近緣種的表型性狀進(jìn)行聚類分析和主成分分析，旨在分析其親緣關(guān)系，并對各性狀之間的內(nèi)在聯(lián)系和主要分類指標(biāo)進(jìn)行探討。研究結(jié)果有助于探討品種之間、品種與近緣種之間的親緣關(guān)系，有助于探索梔子品種的分類等級和分類標(biāo)準(zhǔn)，有助于解決品種的來源及演化問題，可以為梔子品種資源的保護(hù)利用及品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料來源于四川、廣西、湖南、江西、浙江和福建等省，栽植于江西省林業(yè)科學(xué)院中藥資源圃內(nèi)，共有梔子20個栽培品種[9]和2個近緣種（表1）。并以它們作為數(shù)量為分類運(yùn)算單位（operational taxonomic unit，OTU）。

表1 試驗(yàn)材料編號、名稱及來源Tab.1 The code，name and origin of Gardenia materials

1.2 性狀和編碼

1.2.1 性狀觀測 每個品種選取3株健康單株作為目標(biāo)植株并掛牌做好標(biāo)記，于盛花期隨機(jī)抽取目標(biāo)植株的10朵花觀測花部性狀，隨機(jī)抽取目標(biāo)植株樹冠頂部成熟葉片10片觀測葉部性狀，于果實(shí)成熟期隨機(jī)抽取目標(biāo)植株的10個果實(shí)觀測果實(shí)性狀[11]。數(shù)量性狀一般使用游標(biāo)卡尺測量，如果寬、葉寬、柱頭長等；部分?jǐn)?shù)量性狀及質(zhì)量性狀直接目測，如花瓣數(shù)、萼齒數(shù)、成熟果色、初開花瓣主色、花蕾頂部形狀等。數(shù)量性狀最終取10次觀測結(jié)果的平均數(shù)。

1.2.2 性狀選取和編碼 根據(jù)梔子栽培品種及近緣種的表型性狀觀測結(jié)果，選取能代表種及品種特性的葉、花、果各部位共計(jì)32個性狀進(jìn)行編碼處理。性狀編碼采用等級數(shù)量編碼方法[13]，多態(tài)性狀如初開花瓣主色、盛花期、開花次數(shù)、花蕾頂部形狀、座果率、果成熟期、果成熟顏色、葉片皺縮程度、葉片次色位置等取非負(fù)整數(shù)“1”、“2”、“3”、“4”、“5”……進(jìn)行編碼，若性狀非人為因素缺失則編碼為“0”（表2）；數(shù)量性狀數(shù)據(jù)，如果寬、葉寬、柱頭長、花瓣數(shù)、萼齒數(shù)等，按實(shí)際觀測值參與數(shù)量化運(yùn)算。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用SPSS23.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。首先對32個性狀進(jìn)行R型聚類分析，度量標(biāo)準(zhǔn)選用Pearson系數(shù)，聚類方法選用最遠(yuǎn)鄰元素法，做出各性狀指標(biāo)相似性聚類的樹狀圖；剔除無變異的數(shù)量性狀萼齒數(shù)后，采用主成分分析法，對剩余各性狀指標(biāo)進(jìn)行降維分析；根據(jù)R型聚類和主成分分析結(jié)果，接著對剩余性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（STD）處理后，再對梔子屬20個品種和2個近緣種進(jìn)行Q型聚類分析，度量標(biāo)準(zhǔn)選用平方Euclidean距離，選用最遠(yuǎn)鄰元素法進(jìn)行系統(tǒng)聚類，并做出分類結(jié)果樹狀圖[11-12，16]。

表 2 性狀及編碼Tab.2 The characters and codes

2 結(jié)果與分析

2.1 梔子品種和近緣種性狀指標(biāo)的R型聚類

對梔子20個品種和2個近緣種的32個性狀進(jìn)行R型聚類分析，結(jié)果由樹狀圖（圖1）可知，相關(guān)性較大的有葉片性狀的葉長和葉柄至最寬處長（r=0.969），花部性狀的花總萼長和花萼齒長（r=0.986），果實(shí)性狀的總果長、果萼齒長和果總萼長（r≥0.928）。因此，后續(xù)Q型聚類分析考慮保留相關(guān)性較大的兩個性狀其中之一，結(jié)合梔子屬性狀特征，剔除葉柄至最寬處長、果萼齒長、花萼齒長，增加葉柄至最寬處長和葉長之比，保留葉長、總果長、花總萼長和果總萼長。R型聚類圖中的其它各性狀指標(biāo)聚類情況比較分散，由此說明這些性狀的選取是合理的，均保留用于下一步的Q型聚類分析。

圖1 R-型聚類分析Fig.1 Dendrogram of R-type clustering analysis

2.2 梔子品種和近緣種性狀指標(biāo)的主成分分析

由主成分分析結(jié)果（表3）可知，位列前7的主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為89.541%。其中第1主成分的貢獻(xiàn)率為39.74%，影響較大的都是果實(shí)性狀，包括果總萼長、果萼齒長、總果長、果寬、棱寬、成熟果色，其特征向量絕對值均在0.870以上。第2主成分的貢獻(xiàn)率為20.513%，影響較大的都是花部性狀，包括花冠裂片長、花冠裂片寬、盛花期、花瓣數(shù)，其特征向量絕對值均在0.609以上。第3主成分的貢獻(xiàn)率為10.252%，影響較大的性狀是花柄長、花萼齒長、葉片次色位置，其特征向量絕對值均在0.531以上。第4主成分的貢獻(xiàn)率為6.89%，影響較大的性狀是開花次數(shù)、葉片次色位置、葉色種數(shù)、子房長，其特征向量絕對值均在0.436以上。第5主成分的貢獻(xiàn)率為4.78%，影響較大的性狀是初開花瓣主色、座果率、果成熟期，其特征向量絕對值均在0.396以上。第6主成分的貢獻(xiàn)率為4.024%，影響較大的性狀是花藥長、盛花期，其特征向量絕對值均在0.437以上。第7主成分的貢獻(xiàn)率為3.343%，影響較大的性狀是初開花瓣主色，其特征向量絕對值為0.345。第1至7主成分中影響較大的主要是果實(shí)和花部性狀，尤其是第1、2主成分。葉片性狀僅有葉片次色位置和葉色種數(shù)兩個性狀分別在第3、4主成分中有較大影響。

表3 主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.3 Eigenvalues，contributor ratio and accumulative contributor ratio of the principal components

2.3 梔子20個品種和2個近緣種的Q型聚類

根據(jù)Q型聚類樹狀圖（圖2）可知，在等級結(jié)合線L1（D=22.5）處，梔子20個品種和2個近緣種被分為2大類，第1類為所有的7個重瓣品種和唯一的1個初開花瓣為金黃色的單瓣品種，包括“白蟾”、“荷花”、“雀舌梔子”、“小白蟾”、“銀邊雀舌”、“花葉梔子”、“燃葉”、“金花梔子”。第2類為所有的13個單瓣品種和2個近緣種；在等級結(jié)合線L2（D=15）處，20個品種和2個近緣種被分為3大類，第1類為“金花梔子”，第2類為所有的7個重瓣品種，第3類為所有的13個單瓣品種和2個近緣種；在等級結(jié)合線L3（D=10）處，20個品種和2個近緣種被分為5大類，第1類為“金花梔子”，第2類為花徑較大的重瓣品種“荷花”和“白蟾”，第3類為花徑相對較小的“雀舌梔子”、“小白蟾”、“銀邊雀舌”、“花葉梔子”和“燃葉”，第4類品種普遍表現(xiàn)為果實(shí)、葉片較大，主要為傳統(tǒng)概念的水梔子品種，即“金福水梔”、“水梔子”、“天順梔子”、“元寶”、“寬棱水梔”，以及“銀盞”和“大花梔子”。第5類包括2個近緣種和5個普遍表現(xiàn)為果實(shí)、葉片相對較小的品種；在等級結(jié)合線L4（D=6.5）處，20個品種和2個近緣種被分為7類，第1類為“金花梔子”，第2類為花徑較大的重瓣品種，第3類為花徑相對較小且花葉的品種“銀邊雀舌”、“花葉梔子”和“燃葉”，第4類為花徑相對較小，葉綠色的品種“雀舌梔子”、“小白蟾”，第5類主要為傳統(tǒng)概念的水梔子品種，第6類為每年開花次數(shù)多于2次的品種“香雪”和“圓葉”，第7類為2個近緣種梔子、狹葉梔子和3個果實(shí)、葉片相對較小的品種。

圖2 Q-型聚類分析Fig.2 Dendrogram of Q-type clustering analysis

3 結(jié)論與討論

梔子屬主要以梔子人工栽培為主且歷史悠久[18]，人們習(xí)慣將梔子分為果用梔子和觀賞用梔子（梔子花）兩大類，果用梔子又可分為藥用梔子（山梔子）和色素用梔子（水梔子）[9]。前人對梔子不同類型尤其是果用梔子進(jìn)行的整理歸類做了大量工作，如從梔子的形態(tài)分類，將道地主產(chǎn)區(qū)江西省的梔子分為25個類型[5]。結(jié)合表型等參數(shù)，周昌華等[3]對川產(chǎn)山梔子進(jìn)行了種質(zhì)分類和篩選，劉若楠[6]對農(nóng)家栽培的梔子品種的性狀及化學(xué)成分進(jìn)行了詳細(xì)研究，結(jié)合主成分分析法對梔子不同品種進(jìn)行綜合分類評價。在參考前人對梔子分類性狀選擇的基礎(chǔ)上，本研究以梔子屬20個栽培品種和2個近緣種為材料，觀測其葉、花、果的32個形態(tài)學(xué)性狀，從數(shù)量分類視角對其進(jìn)行分類研究。

通過對梔子品種及近緣種性狀指標(biāo)進(jìn)行R型聚類，除花和果的總萼長、萼齒長、果長、葉長與葉柄至最寬處長這些性狀相關(guān)性較大外，其它大部分性狀相對獨(dú)立。主成分分析顯示，影響力較大的性狀有果總萼和萼齒長、果長和寬、棱寬、成熟果色、花冠裂片長和寬、盛花期、花瓣數(shù)等。對性狀指標(biāo)的R型聚類是對研究選取性狀合理性的有效評價，而主成分分析是從眾多個性狀指標(biāo)中找出品種間主要性狀差異的有效方法，是在盡可能多的反映原始數(shù)據(jù)資料信息前提下，對性狀指標(biāo)信息進(jìn)行簡化的有效手段[11]。綜合而言，果萼、果徑、果棱、果色等果實(shí)性狀以及花徑、花瓣數(shù)、花期等花部性狀是今后梔子品種形態(tài)分類中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的性狀指標(biāo)。

Q型聚類結(jié)果能較好的將果實(shí)、葉片較大即傳統(tǒng)概念的水梔子品種“金福水梔”、“水梔子”、“天順梔子”、“寬棱水梔”等聚集在一起，將花重瓣的即傳統(tǒng)概念的梔子花品種“荷花”、“白蟾”、“雀舌梔子”、“小白蟾”、“銀邊雀舌”、“花葉梔子”和“燃葉”等聚集在一起，將果實(shí)相對較小的品種“香雪”、“圓葉”、“球果梔子”、“縱橫”、“分關(guān)1號”和兩個近緣種狹葉梔子、梔子聚集在一起。由此可見，采用數(shù)量分類的方法對梔子品種進(jìn)行分類的結(jié)果與傳統(tǒng)的形態(tài)分類結(jié)果基本一致，能較好的支持形態(tài)分類，也能在一定程度上較好的反映出品種間的親緣關(guān)系，說明本研究分類性狀的選取比較合理，且花色、花徑、重瓣性、果實(shí)和葉片大小、葉色、開花次數(shù)等性狀在聚類分析中起著重要作用。研究結(jié)果有助于探討品種之間、品種與近緣種之間的親緣關(guān)系，有助于解決品種的來源及演化問題，可以為梔子品種資源的保護(hù)利用及品種選育提供理論依據(jù)。

數(shù)量分類主要以表型性狀為分類依據(jù)的分類方法，在性狀的選取、編碼等方面存在較強(qiáng)的主觀性[15]。單從葉片形態(tài)看，梔子品種“雀舌梔子”、“銀邊雀舌”和狹葉梔子表型較為相近，在花瓣數(shù)、葉片次色位置、葉色種數(shù)及果實(shí)等性狀去除后，梔子品種“雀舌梔子”、“銀邊雀舌”和狹葉梔子確實(shí)聚集在了一起，表現(xiàn)出較近的親緣關(guān)系。但在本研究中，綜合葉、花、果等各方面的來源不同的性狀指標(biāo)進(jìn)行聚類時，它們并未聚集在一起，研究結(jié)論對認(rèn)識梔子品種之間、品種與近緣種之間的親緣關(guān)系有較大的參考價值。并由此可見，數(shù)量分類的結(jié)論作為一種總體把握的分類體系，雖然有它的優(yōu)勢，但也表現(xiàn)出一定的局限性，性狀的選取等一些人為的主觀因素還是會影響到最終的結(jié)果，今后的研究還可以在形態(tài)分類、數(shù)量分類的基礎(chǔ)上，結(jié)合分子標(biāo)記等手段來進(jìn)行品種系統(tǒng)分類和親緣關(guān)系研究[10-11]。