吳芳芳, 原鑫, 蘇少文, 賀丹, 劉藝平, 孔德政
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002)
荷花(NelumboSP.)又名芙蕖、蓮花,是蓮科蓮屬多年宿根的挺水花卉。荷花是中國栽培歷史悠久的名花之一,不僅花姿優(yōu)雅、品種繁多,而且具有很高的文化價值及觀賞價值,深受廣大人民的喜愛[1-2]。目前,荷花成為全世界栽培較廣的觀賞水生植物之一,有2 000余個品種,其中新品種有300余個[3-4]。由于長期廣泛采用栽種和引種 、選擇育種以及輻射育種等不同手段,形成了繁雜的品種和類型。但關(guān)于荷花品種分類的研究還主要是依據(jù)目測和描述,在研究眾多的變異品種分類時存在一定的局限性。如清代楊忠寶[5]的《缸荷譜》荷花品種,以花色為分類標(biāo)準(zhǔn)分為大紅、水紅、銀紅、爪紅、白、灑錦、錦邊等7類;王其超等[6]的《中國荷花品種圖志》中按花色分為紅、粉、白、灑金、黃等 5 色系,對于荷花色系劃分較為簡略,且未對各品種之間的花色明確界定。在荷花品種保護和花色分子育種等科學(xué)研究中需要對荷花表型進行科學(xué)定義。因此,有必要在傳統(tǒng)的分類基礎(chǔ)上,建立一個更加科學(xué)的表型數(shù)量分類方法。表型是植物形態(tài)特征的組合,是其遺傳變異的表型特征[7]。表型多樣性是由環(huán)境多樣性和遺傳多樣性共同作用形成的結(jié)果,是植物質(zhì)量性狀的重要鑒定依據(jù),廣泛應(yīng)用于種質(zhì)資源鑒定、分類及選擇育種等科學(xué)研究[8-9]。花色是觀賞植物重要的表型性狀,也是品種分類的重要依據(jù)[10-12]。荷花種質(zhì)資源豐富,各品種的觀賞特征各不相同,僅以定性描述對荷花品種分類較為粗略。CIELab標(biāo)準(zhǔn)色空間在植物色彩研究領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用使得花色表型的數(shù)量化表示更為精準(zhǔn),對于觀賞類植物的品種鑒定具有實際意義。在小蒼蘭[13]、觀賞海棠[14]、 蝴蝶石斛蘭[15]、菊花[16]等植物中已廣泛運用,證實了其科學(xué)性。本研究選擇了24個健壯生長、性狀穩(wěn)定的荷花品種進行露地栽培并進行表型性狀的觀測與記錄,同時使用色差儀對荷花品種進行了花色測定,最后對表型和花色聚類結(jié)果分析,旨在為荷花品種的分類與花色品種的選育提供參考。
從河南農(nóng)業(yè)大學(xué)荷花種質(zhì)資源圃收集保存的荷花資源中隨機選取具有代表性的24個早、中和晚期的荷花品種(花期是由首次開花到最后一朵花開花的時間段,參照國際蓮屬品種登記表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義6月6日采集的荷花品種為早期,6月26日采集的荷花品種為中期,7月16日采集的荷花品種為晚期)(表1);花色表型的測定為定性描述。供試材料均經(jīng)多年自交,穩(wěn)定遺傳。于2019年5月開始連續(xù)進行表型性狀的測定。
表1 供試荷花品種Table 1 Lotus cultivars tested
1.2.1 荷花表型性狀測定 將24個荷花品種于2019年4月種植于河南省駐馬店荷花資源圃,管理按照常規(guī)方法統(tǒng)一進行。參照國際蓮屬品種登記表的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在荷花生長期(5-9月),選取生長一致、健壯的植株,測定并記錄3個數(shù)量性狀(花冠直徑、花瓣數(shù)、雄蕊數(shù))和2個質(zhì)量性狀(花型、花蕾色)并進行荷花品種表型遺傳多樣性分析。每個品種選取10株,每株每個指標(biāo)測定3次,取平均值。所有描述型性狀均參照《蓮種質(zhì)資源描述和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]進行觀測和測定,即荷花花型變異范圍和級別分為:1級代表半重瓣(花瓣數(shù)為20~59),2級代表重臺(花瓣數(shù)為70以上且心皮大多數(shù)瓣化),3級代表重瓣(花瓣數(shù)為70以上);花蕾色變異范圍和級別分為:1級代表綠色,2級代表紅綠色,3級代表紅色。
1.2.2 花色測定 在荷花盛花期采集不同品種荷花的花瓣,帶回室內(nèi)進行花色指標(biāo)的測定。使用便攜式分光色差儀(NF555, Nippon Denshoku Industries Co. Ltd., Japan)的集光孔對準(zhǔn)花瓣中部進行測定,每個品種的花色重復(fù)測定3次,記錄參數(shù),包括色彩亮度L*值、色相a*值和b*值、彩度C*和色相角值h,最終取平均值代表花瓣顏色。
在表型性狀數(shù)據(jù)統(tǒng)計中,使用Excel軟件對記錄的試驗數(shù)據(jù)進行處理;不同品種間性狀的差異用變異系數(shù)表示,遺傳多樣性指數(shù)的計算采用Shannon-Weaver信息指數(shù)
計算公式:H’=- ∑PilnPi
式中:Pi為某一個性狀第i個級別出現(xiàn)的概率。
運用SPSS軟件進行數(shù)量性狀單因素方差分析;采用Euclidean距離、Ward法進行聚類。在花色數(shù)據(jù)統(tǒng)計中,利用SPSS軟件對CIE表色系統(tǒng)的L*、a*和b*值使用最遠鄰近法進行聚類分析;使用Origin Pro 9.0軟件作荷花花色分布圖。
供試的24個荷花品種的5個表型性狀多樣性情況見表2,遺傳多樣性指數(shù)(H’)的變化范圍為4.41~4.55,平均值為4.50。其中花型(4.55)的多樣性指數(shù)最高,主要是重臺(16.67%)和重瓣(79.17%);雄蕊數(shù)的多樣性指數(shù)最低(4.41%)??傮w來說,荷花的5個表型性狀間遺傳多樣性指數(shù)均較高,但是不同性狀之間的差異性不大,表明荷花5個表型性狀存在著豐富的表型多樣性。荷花品種的數(shù)量性狀變異系數(shù)變化范圍為19.93%~47.94%。其中雄蕊數(shù)的變異系數(shù)最大,為47.94%,
表2 24個荷花品種花器官表型性狀比較Table 2 Comparison of flower organ phenotypes of 24 lotus cultivars
注:同列中不同的小寫字母表示在0.05水平上差異顯著。
Note: Different lowercases in the same column indicate the significance at 0.05 level,respectively.
花瓣數(shù)的變異系數(shù)較大,為35.49%,花型的變異系數(shù)最小,為19.93%。說明花冠直徑的變異幅度較小,穩(wěn)定性較高,雄蕊數(shù)相對變異較大,穩(wěn)定性較差。研究發(fā)現(xiàn),花冠直徑、花瓣數(shù)和雄蕊數(shù)中花冠直徑在群體間F值最大(79.27);其次是花瓣數(shù)的群體間F值(52.35);雄蕊數(shù)的群體間F值最小(40.48)。
基于荷花花器官表型性狀,對24個荷花品種進行聚類分析。結(jié)果表明,在歐式距離10處,供試品種被分為4大類( 圖1) ,每個類群的均值及變異系數(shù)參見表3。第Ⅰ大類包含天地紅、火炬、翡翠、瑰麗和紅領(lǐng)巾5個品種,占供試品種的20.83%。其主要特征是變異系數(shù)均較低,花冠直徑(11.50),花瓣數(shù)(71.80)、雄蕊數(shù)(47.07) 也均較低;第Ⅱ大類包含太空嬌容、紅鶯、粉桃、秋色、粉紅重瓣、晚霞、紫光閣、南陽黃和紅繡球9個品種,其主要特征是花瓣數(shù)在4個類群中較高(117.26),變異系數(shù)最低(12.76%),雄蕊數(shù)較高(55.59),變異系數(shù)最高(30.38%);第Ⅲ大類包含新披針紅、海南、鈹針粉、紅云、新云錦、紅重中型、素雅和新深情8個品種,其主要特征是花冠直徑最大(16.58),雄蕊數(shù)最多(99.71)、變異系數(shù)(17.61%)最小;第Ⅳ大類包含粉龍蓮和友誼牡丹2個品種,其主要特征是花瓣數(shù)最多(223.50),雄蕊數(shù)最少(15.17)。
24個品種編號 No. of 24 cultivars
表3 24個荷花品種各類群表型性狀的特征Table 3 Characteristics of phenotypic traits in
依據(jù)所測得Lab值對荷花顏色進行系統(tǒng)聚類分析,在分類距離5處可將24個荷花品種的花色表型聚為6類(圖2),各類情況如下。
Ⅰ類:包括紅重中型、新披針紅、晚霞、天地紅和瑰麗5個品種,占總數(shù)的20.83%,為紅色系(紅色和深紅);Ⅱ類:包括粉紅重瓣、紫光閣、紅繡球、紅領(lǐng)巾、火炬、紅云、新深情和海南8個品種,占總數(shù)的33.33%,為粉紅色系(深粉、粉紫);Ⅲ類:包括鈹針粉、粉桃、太空嬌容和紅鶯4個品種,占總數(shù)的16.67%,為粉紫色系(中粉);Ⅳ類:僅包含粉龍蓮1個品種,占總數(shù)的4.17%,為淺粉色系;Ⅴ類:包括新云錦、素雅、秋色、友誼牡丹和南陽黃5個品種,占總數(shù)的20.83%,為白色系(白色、淡綠色);Ⅵ類:只包括翡翠1個品種,占總數(shù)的4.17%,為黃色系(淡黃色)。
CIELab表色系統(tǒng)的顏色模式測定結(jié)果表明,荷花花色在CIELab表色系統(tǒng)坐標(biāo)系上分布較為廣泛,其中粉紫色在整個荷花品種群中分布數(shù)量最多。L*值范圍44.14~87.25,其中白色系的L*值最大,紅色系的L*值最?。籥*值范圍為-8.69~44.28,變異較大,雖然粉紫色、粉紅色和紅色系中的a*值重疊,但可通過L*值進行區(qū)分;b*值為-9.77~21.29,白色系的b*值均大于零,且白色系品種的b*值明顯大于其他色系;彩度C*值為9.47~42.80,其中紅色系的彩度C*值最大;色相角h值為109.39~354.42,其中白色系的色相角h值相對較小,紅色系的色相角h值相差不大(表4)。
24個品種編號No. of 24 cultivars
注:Ⅰ. 紅色系;Ⅱ. 粉紅色系;Ⅲ.粉紫色系;Ⅳ.淺粉色系;Ⅴ.白色系;Ⅵ.黃色系。
Note: Ⅰ. Red group; Ⅱ. Pink red group; Ⅲ. Pink purple group; Ⅳ. Light pink group; Ⅴ. White group; Ⅵ. Yellow group.
圖2L*、a*和b*的24個荷花品種花瓣的花色表型聚類分析
Fig.2 Cluster analysis of flower color of 24 lotus petalcultivars based onL*,a*andb*
表4 24個荷花品種的花色表型聚類分析結(jié)果Table 4 Cluster analysis results of flower color of 24 lotus cultivars
在a*和b*二維象限圖上,荷花品種的花色主要集中在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限,第Ⅲ象限處沒有分布( 圖3-A)。其中,第Ⅱ象限主要分布的是白色和黃色系,第Ⅰ象限分布的是淺粉色系,第Ⅳ象限種質(zhì)資源數(shù)量分布最多,主要是粉紫色、粉紅色和紅色3個色系。從L*、a*和b*值的三維散點圖中可以看出,各色系呈三維帶狀分布(圖3-B)。
注:1.白色系;2.黃色系;3.淺粉色系;4.粉紫色系;5.粉紅色系;6.紅色系
表型性狀的描述和鑒定是荷花種質(zhì)資源最基本的研究方法和途徑,也是進行種質(zhì)資源分類的重要依據(jù)之一[18-21]。本研究對24個荷花品種花器官5個表型性狀的多樣性進行分析,遺傳多樣性指數(shù)(H’)的變化范圍為4.41~4.55,其中多樣性指數(shù)最高的是花型,花蕾色、花型、花冠直徑、花瓣數(shù)、雄蕊數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)均在4.0以上;表型性狀的變異系數(shù)范圍為19.93%~47.94%,平均變異系數(shù)為32.78%。其中花冠直徑的變異系數(shù)最小(CV=26.03%);雄蕊數(shù)的變異系數(shù)最大(CV=47.94%)。孫銘等[22]研究表明,一般變異系數(shù)大于10% 表示品種間差異較大,本研究中所選取花器官5個表型性狀的變異系數(shù)均大于10%,說明這24個荷花品種之間遺傳基礎(chǔ)較廣,具有較豐富的遺傳差異,有利于特異種質(zhì)材料的比較和篩選,為荷花種質(zhì)資源遺傳改良和育種奠定了基礎(chǔ)。
通過對荷花品種的花器官5個表型性狀進行聚類分析,將24個荷花品種劃分為4大類,表型性狀相似的品種聚在一起。由于粉龍蓮和友誼牡丹( 花瓣數(shù)最多,雄蕊數(shù)最少) 相對于其他品種具有特殊的表型,這2個品種被單獨聚在第IV類群。這些研究結(jié)果可以為荷花種質(zhì)資源鑒定、新品種的定向選育提供理論依據(jù)。
本研究發(fā)現(xiàn)依據(jù)定向描述對荷花花色分類不能完全表征植物花色的分布特點,如發(fā)現(xiàn)黃色花色的翡翠品種被分散在白色系品種中,淺粉色花色的粉龍蓮分散在粉紫色系品種中。結(jié)合Lab色差儀測色法進行分析,結(jié)果將荷花花色分為6類( 白色、黃色、淺粉色、粉紫色、粉紅色和紅色系)。研究發(fā)現(xiàn),不同荷花品種花色的Lab值存在一定的差異,且各品種花色類型都有其相對應(yīng)的L*、a*和b*值范圍,可以根據(jù)其范圍對不同色系進行客觀區(qū)分,較符合荷花花色表型特點。王玉蛟等[23]使用色差儀對芍藥品種花色表型值測定,其明度結(jié)果L*由高到低分別是白色系、黃色系、粉色系、紫色系、紅色系和墨色系;吳靜等[24]對紫斑牡丹花色 表型研究中,其明度結(jié)果L*值由高到低分別是白色系、黃色系、淺粉色系、粉色系、藍色系、紅色系、紫色系和黑色系。本研究對荷花品種花色表型分析時,得到了與上述相似的結(jié)果,即其結(jié)果明度L*由高到低分別是白色系、黃色系、淺粉色系、粉紫色系、粉紅色系和紅色系。本研究還發(fā)現(xiàn)荷花品種在a*和b*二維象限圖中,主要分布在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限內(nèi),在第Ⅲ象限上沒有分布;韓江南等[25]對中原牡丹品種的花色研究中同樣發(fā)現(xiàn)94個中原牡丹a*和b*色相坐標(biāo)第Ⅲ象限上沒有分布,主要分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限;在菊花品種花色分類研究中也是相同的結(jié)果[26]。荷花品種分布在藍綠區(qū)間外的各個色空間,可能是因為不同品種中的花色素種類和含量不同所致[27-29]。粉蓮型、紅蓮型荷花花色主要由花色苷的矢車菊素苷決定的,隨著其含量的升高,花色明度降低,因此荷花缺少鮮艷的紅色品種;而黃蓮型、白蓮型荷花花色是由黃酮類的色素決定的,因化合物種類、含量分布決定黃色或偏白色的花色表現(xiàn)[30-31]。
通過對荷花品種形態(tài)性狀聚類分析,明確了荷花品種的不同類型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合花色表型數(shù)量進行分類,可以較好地區(qū)分不同品種間的過渡花色,為荷花選擇育種提供可靠的理論依據(jù)。同時篩選出性狀差異較大的不同品種材料,為荷花育種工作提供了豐富的原始材料。