滇牡丹不同采種區(qū)種苗質(zhì)量評(píng)價(jià)

蘇澤春，薛潤光，和桂青，李兆光，王澤清，和壽蓮

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高山經(jīng)濟(jì)植物研究所, 云南 麗江 674100)

【研究意義】滇牡丹(P.delavayi)為芍藥科(Paeoniaceae)芍藥屬(PaeoniaL.)牡丹組(Paeonia sect. Moutan)植物[1-2]，屬漸危種[3]、國家二級(jí)保護(hù)植物[4]。主要分布于云南的滇西北，在四川及西藏也有少量分布[5]。滇牡丹表型變異極為豐富，具有較高的藥用價(jià)值及觀賞價(jià)值[6-7]。2011年，衛(wèi)生部發(fā)布了牡丹籽油為新資源食品的公告[8]，牡丹的利用價(jià)值得到了進(jìn)一步的延伸，也助推了滇牡丹開發(fā)利用的新熱潮?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】龔洵等將高海拔滇牡丹引種到低海拔進(jìn)行種植，13年的遷地保護(hù)結(jié)果表明，大部分滇牡丹的營養(yǎng)生長正常，但開花結(jié)實(shí)少[9]，這一實(shí)際為高海拔山區(qū)利用本土資源發(fā)展滇牡丹油用產(chǎn)業(yè)提供了強(qiáng)有力的支撐。牡丹是國家造林計(jì)劃的樹種之一[10-11]，雖然各級(jí)人民政府每年都會(huì)組織全民義務(wù)植樹，但造林容易成林卻難，這與樹苗在自然環(huán)境中的適應(yīng)能力有關(guān)，與種植后公民的參與度也有關(guān)。國家關(guān)于牡丹造林中涉及的基本原則：堅(jiān)持適地適樹，穩(wěn)步推進(jìn)，充分利用宜林地、鹽堿地、沙荒地，不占耕地尤其是不占基本農(nóng)田；堅(jiān)持造林與農(nóng)民利益聯(lián)合在一起的原則[12]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】滇牡丹是高海拔山區(qū)的本土資源，選擇滇牡丹作為造林樹種與國家造林的基本原則是相一致的，同時(shí)，發(fā)展滇牡丹產(chǎn)業(yè)首推不占基本農(nóng)田和充分利用撂荒地等原則，造林要與農(nóng)民利益相協(xié)調(diào)的原則。滇牡丹投產(chǎn)后，可連續(xù)多年采籽并創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值，農(nóng)民的參與度高，在高海拔山區(qū)發(fā)展滇牡丹新興產(chǎn)業(yè)對(duì)植樹造林、調(diào)整農(nóng)村種植結(jié)構(gòu)及提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益等均有重要意義。以滇牡丹作為造林樹種需要采集野生居群的種子進(jìn)行種苗繁育，種苗質(zhì)量的優(yōu)劣是關(guān)乎植樹造林成敗及農(nóng)民利益的最根本問題，國內(nèi)目前尚未見滇牡丹種苗質(zhì)量優(yōu)劣評(píng)價(jià)的報(bào)道，也未見不同采種區(qū)繁育出的種苗差異情況的報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】對(duì)12個(gè)居群2年生實(shí)生苗的13個(gè)表型性狀采用主成分分析與聚類分析相結(jié)合綜合評(píng)價(jià)種苗質(zhì)量，以期為滇牡丹種苗質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供有價(jià)值的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 滇牡丹試驗(yàn)材料

從云南滇西北的迪慶州、大理州、麗江市和怒江州等地采集到12個(gè)居群的種子為供試材料，各采集地采用GPS進(jìn)行了精準(zhǔn)定位，采集地的基本信息見表1。

1.2 育苗方法

試驗(yàn)設(shè)置在云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高山經(jīng)濟(jì)植物研究所大平壩試驗(yàn)基地，海拔3400 m，采用溫室大棚進(jìn)行育苗，育苗地為砂質(zhì)壤土。2016年10月24日，對(duì)12個(gè)居群的滇牡丹種子進(jìn)行浸泡，浸泡種子的水溫為30 ℃，每間隔6 h換溫水1次，浸泡24 h后，將種子撈出，瀝干水分后即進(jìn)行播種。苗床理成高廂，廂面寬80 cm、廂高20 cm。采用點(diǎn)播方式進(jìn)行播種，種子間距為10 cm×10 cm，點(diǎn)播好后，用平整的木板進(jìn)行壓實(shí)，使種子與土壤充分接觸，然后在種子上蓋一層厚3 cm的細(xì)土。播種后，在廂面上蓋一層厚10 cm的松毛。全部工序完成后進(jìn)行澆水，苗床日常管理參照大田育苗技術(shù)執(zhí)行。2年后，對(duì)出圃的苗進(jìn)行表型性狀的觀測，調(diào)查葉長(x1)、葉寬(x2)、葉柄長(x3)、葉柄寬(x4)、根長(x5)、根粗(x6)、主莖長(x7)、主莖粗(x8)、葉數(shù)(x9)、芽數(shù)(x10)、側(cè)根數(shù)(x11)、地下莖長(x12)和地下莖粗(x13)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

先對(duì)表型性狀各指標(biāo)的平均值組成的矩陣進(jìn)行相關(guān)分析，如果有某些表型指標(biāo)與其他表型指標(biāo)存在不相關(guān)的情況，在隨后進(jìn)行的主成分分析中，將這些不相關(guān)的指標(biāo)剔除再作主成分分析[13]。

由于2年生滇牡丹實(shí)生苗的表型性狀比較多，許多指標(biāo)對(duì)衡量種苗質(zhì)量構(gòu)成了一定的干擾，為了能實(shí)現(xiàn)用少量幾個(gè)綜合指標(biāo)就可對(duì)種苗質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的目的，采用主成分分析法，將高維變量空間進(jìn)行降維處理，實(shí)現(xiàn)把所研究滇牡丹種苗質(zhì)量相關(guān)的多個(gè)表型指標(biāo)重新組合成一組新的、與線性無關(guān)的幾個(gè)綜合指標(biāo)來代替原來的表型變量，實(shí)現(xiàn)對(duì)研究滇牡丹種苗質(zhì)量的簡化[14-15]。

在主成分分析的基礎(chǔ)上，對(duì)不同采種區(qū)域繁育出的種苗進(jìn)行系統(tǒng)聚類，系統(tǒng)聚類首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，聚類距離采用歐式距離，聚類方法使用可變類平均法。

數(shù)據(jù)采用Excel軟件及DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[16]。

2 結(jié)果與分析

2.1 滇牡丹表型性狀間的相關(guān)分析

為了保證主成分分析模型的有效性，先對(duì)表型性狀進(jìn)行相關(guān)分析。從表2可以看出，13個(gè)表型性狀的各指標(biāo)之間存在著錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，不同表型性狀指標(biāo)之間均有不同的顯著相關(guān)性，未發(fā)現(xiàn)某一表型性狀與其他表型指標(biāo)都不相關(guān)的現(xiàn)象，因此，將所有表型指標(biāo)完全保留，對(duì)表型指標(biāo)作進(jìn)一步的主成分分析。

表1 滇牡丹種子采集地的相關(guān)信息

表2 表型性狀間的相關(guān)系數(shù)

注：*指在 0.05 水平上差異顯著；**指在 0.01 水平上差異極顯著。

Note: * was significant difference at the 0.05 level; ** was extremely significant difference at the 0.01 level.

2.2 滇牡丹表型性狀間的主成分分析

對(duì)13個(gè)表型性狀進(jìn)一步作主成分分析后，求其特征根、方差貢獻(xiàn)率和累計(jì)貢獻(xiàn)率。從表3可知，前3個(gè)特征根的累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)88.95 %，因此，選擇一個(gè)3因子模型即可解釋表型數(shù)據(jù)的88.95 %。其中，第一主成分的貢獻(xiàn)率高達(dá)70.19 %，其特征向量值均為正值，可以把第一主成分看成是滇牡丹表型性狀的綜合反映。從第一主成分的特征向量值還可以看出，第一主成分地下部分主要反映的是地下莖粗、側(cè)根數(shù)，地上部分主要反映的是葉長和葉寬。第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)11.68 %，其中葉數(shù)、主莖長有較大的正系數(shù)，主莖粗、葉柄寬、地下莖長有較大的負(fù)系數(shù)，說明第二主成分反映的是葉數(shù)、主莖長、主莖粗、葉柄寬、地下莖長對(duì)滇牡丹種苗質(zhì)量的整體影響，為了獲得較優(yōu)質(zhì)的種苗質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)培養(yǎng)好葉數(shù)和主莖長，有效抑制種苗的主莖粗、葉柄寬和地下莖長的生長。第三主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)7.08 %，其中葉柄長和葉數(shù)有較大的正系數(shù)，說明葉數(shù)多、葉柄長有利于滇牡丹凈光合產(chǎn)物的積累，更有利于滇牡丹種苗完成不同器官的形態(tài)建成，也可用葉數(shù)及葉柄長來衡量儲(chǔ)藏器官的發(fā)達(dá)程度。

根據(jù)主成分的定義，可獲得3個(gè)主成分y1、y2、y3與13個(gè)表型性狀的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)線性方程：

y1=0.3019x1+0.3065x2+0.2265x3+0.2632x4+0.2676x5+0.2965x6+0.2556x7+0.2945x8+0.2073x9+0.2976x10+0.3026x11+0.2488x12+0.3126x13；

y2=0.2791x1+0.2256x2+0.1014x3-0.3399x4+0.277x5-0.2545x6+0.3051x7-0.341x8+0.4921x9-0.0735x10+0.0129x11-0.3121x12-0.2222x13；

y3=-0.0357x1-0.0239x2+0.6017x3+0.1229x4-0.3964x5+0.079x6-0.4032x7+0.1557x8+0.4017x9-0.1665x10+0.1125x11-0.259x12-0.0448x13

根據(jù)以3個(gè)主成分y1、y2、y3與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建出預(yù)測評(píng)價(jià)模型Y，Y是主成分y1、y2、y3的線性組合:

Y= 0.7019y1+0.1168y2+0.0708y3。

利用該模型可對(duì)滇牡丹的種苗進(jìn)行評(píng)價(jià)，從表4可以看出，不同采種區(qū)域繁育出的滇牡丹，在種苗質(zhì)量上是有差異的，按所構(gòu)建的預(yù)測評(píng)價(jià)模型Y值的大小進(jìn)行排序，猴子山>老君山>G214國道>虎跳峽>麗鳴線>拉井鄉(xiāng)>沖古村>城東>達(dá)茨壩>通甸鄉(xiāng)>滑雪場>羊拉鄉(xiāng)，這一結(jié)果與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)有較高的一致性，說明主成分綜合評(píng)價(jià)模型能很好地評(píng)價(jià)滇牡丹種苗質(zhì)量。

表3 滇牡丹表型性狀間的主成分分析

表4 滇牡丹種苗的主成分分值

2.3 滇牡丹的聚類分析

對(duì)2年生滇牡丹種苗的13個(gè)主要表型性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類，數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、歐式距離、可變類平均法進(jìn)行聚類。由表5可知，距離矩陣的值越大，說明該值對(duì)應(yīng)的兩個(gè)居群的種苗質(zhì)量差異越大，比如d1,6=8.447，而d1,4=1.373，表明達(dá)茨壩居群與猴子山居群的種苗質(zhì)量差別相對(duì)較大，而達(dá)茨壩居群與城東居群的種苗質(zhì)量差別相對(duì)較小。表5的距離矩陣為對(duì)比居群間種苗質(zhì)量差異提供理論依據(jù)，同時(shí)為篩選優(yōu)勢種質(zhì)資源及研究親本的選配提供參考。在聚類分析中，如果按閾值3.7616進(jìn)行分類，12個(gè)居群的種苗質(zhì)量可以分為5類(圖1)，第I類為達(dá)茨壩、城東、滑雪場、沖古村、拉井鄉(xiāng)；第Ⅱ類為羊拉鄉(xiāng)、通甸鄉(xiāng)；第Ⅲ類為猴子山、老君山；第Ⅳ類為虎跳峽、G214國道；第V類為麗鳴線。結(jié)合2.2主成分分析結(jié)果可以看出，主成分綜合評(píng)價(jià)模型中，聚類分析被聚為第Ⅲ類的猴子山、老君山種苗質(zhì)量較好；聚在第Ⅳ類的G214國道、虎跳峽種苗質(zhì)量次之；聚為第V類的麗鳴線再次之；聚為第I類的拉井鄉(xiāng)、沖古村、城東、達(dá)茨壩、滑雪場居群的種苗質(zhì)量較差；聚為第Ⅱ類的通甸鄉(xiāng)、羊拉鄉(xiāng)居群的種苗質(zhì)量最差。聚類分析的結(jié)果與主成分綜合評(píng)價(jià)模型中的結(jié)果是吻合的，說明主成分分析與聚類分析相結(jié)合，對(duì)評(píng)價(jià)滇牡丹2年生種苗質(zhì)量的優(yōu)劣是比較理想的。

3 討 論

由于繁育滇牡丹的種子采自不同的區(qū)域，雖然在同質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行育苗，但各材料在形態(tài)建成過程中依然具有較大的表型差異，通過對(duì)2年生滇牡丹實(shí)生苗不同表型性狀間存在的相關(guān)性分析后，發(fā)現(xiàn)不同表型性狀指標(biāo)之間均有不同的顯著相關(guān)性，未發(fā)現(xiàn)某一表型性狀與其他表型指標(biāo)都不相關(guān)的現(xiàn)象，因此，迫切需要一種比較好的方法對(duì)滇牡丹種苗質(zhì)量作出科學(xué)的評(píng)價(jià)。主成分分析可以實(shí)現(xiàn)用少量幾個(gè)綜合指標(biāo)就可對(duì)種苗質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的目的，它的數(shù)學(xué)思想就是將高維變量空間進(jìn)行降維處理以實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象評(píng)價(jià)的簡化。該方法在種質(zhì)資源評(píng)價(jià)[17-20]、數(shù)量性狀遺傳[21-22]、種苗質(zhì)量研究[13]等方面都有相關(guān)報(bào)道。采用該方法探討滇牡丹的種苗質(zhì)量，得出只需用3個(gè)綜合因子就能取代13個(gè)表型性狀評(píng)價(jià)種苗質(zhì)量的結(jié)論，這3個(gè)綜合因子可以解釋表型數(shù)據(jù)的88.95 %。

表5 12個(gè)居群2年生種苗聚類的距離矩陣

圖1 12個(gè)居群2年生種苗的聚類圖

由各因子的方差貢獻(xiàn)率可以看出，第一主成分的方差貢獻(xiàn)率高達(dá)70.19 %，且因其特征向量值均為正值，可以把第一主成分看成是滇牡丹表型性狀的綜合反映，第一主成分地下部分主要反映的是地下莖粗、側(cè)根數(shù)，地上部分主要反映的是葉長和葉寬；第二主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)11.68 %，主要反映了葉數(shù)、主莖長、主莖粗、葉柄寬、地下莖長對(duì)滇牡丹種苗質(zhì)量的整體影響，為了獲得較優(yōu)質(zhì)的種苗質(zhì)量，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)培養(yǎng)好葉數(shù)和主莖長；第三主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)7.08 %，其中葉柄長和葉數(shù)有較大的正系數(shù)，葉柄長說明葉的伸張幅度明顯，加之葉數(shù)多，受光面就會(huì)增大，合成的光合產(chǎn)物就多，儲(chǔ)藏能量的器官就會(huì)發(fā)達(dá)，因此可用這兩項(xiàng)指標(biāo)來間接衡量儲(chǔ)藏器官的發(fā)達(dá)程度。用3個(gè)主成分與其方差貢獻(xiàn)率構(gòu)建出了不同滇牡丹種苗質(zhì)量預(yù)測的評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用該預(yù)測模型得出12個(gè)采種區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)值，按大小依次為猴子山>老君山>G214國道>虎跳峽>麗鳴線>拉井鄉(xiāng)>沖古村>城東>達(dá)茨壩>通甸鄉(xiāng)>滑雪場>羊拉鄉(xiāng)。

采用標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、歐式距離、可變類平均法對(duì)12個(gè)居群的13個(gè)主要表型性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類，從距離矩陣可以看出兩兩居群之間種苗質(zhì)量的差異大小，可為兩兩居群種苗質(zhì)量的差異提供量化指標(biāo)，同時(shí)也可為篩選優(yōu)勢種質(zhì)資源及為研究親本的選配提供參考。在聚類分析中，如果按閾值3.7616進(jìn)行分類，12個(gè)居群的種苗質(zhì)量可以分為5類，結(jié)合主成分預(yù)測模型的綜合評(píng)價(jià)值可以看出，聚類分析被聚為第Ⅲ類的猴子山、老君山種苗質(zhì)量較好；聚為第Ⅳ類的G214國道、虎跳峽種苗質(zhì)量次之；聚為第V類的麗鳴線再次之；聚為第I類的拉井鄉(xiāng)、沖古村、城東、達(dá)茨壩、滑雪場居群的種苗質(zhì)量較差；聚為第Ⅱ類的通甸鄉(xiāng)、羊拉鄉(xiāng)居群的種苗最差。聚類分析的結(jié)果與主成分綜合評(píng)價(jià)模型中的結(jié)果是吻合的，說明主成分分析與聚類分析相結(jié)合，對(duì)評(píng)價(jià)滇牡丹2年生種苗質(zhì)量的優(yōu)劣是比較理想的。

4 結(jié) 論

對(duì)12個(gè)居群的13個(gè)表型性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析并結(jié)合聚類分析，得出評(píng)價(jià)種苗質(zhì)量應(yīng)重點(diǎn)考察種苗的3個(gè)綜合因子的結(jié)論，該結(jié)論對(duì)指導(dǎo)滇牡丹種苗繁育具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，但是，不是所有采種區(qū)域的種子都能繁育出質(zhì)量較優(yōu)的種苗，因此，造林用種應(yīng)先對(duì)采種區(qū)域的種子種苗先作出合理評(píng)價(jià)，在評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上有選擇性地進(jìn)行采種，以確保育出的苗都是壯苗。

由于滇牡丹是多年生小灌木，只選用2年生的滇牡丹種苗作為研究材料，結(jié)論可為種苗質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)提供技術(shù)上的支撐，對(duì)種質(zhì)資源評(píng)價(jià)及親本的選配只能提供參考。如果要對(duì)種質(zhì)資源評(píng)價(jià)及親本的選配提供系統(tǒng)的科學(xué)支撐，必須對(duì)移栽到大田的滇牡丹作后續(xù)性的跟蹤調(diào)查。