紫丁香195個實生單株花表型性狀變異分析

何芮慶 楊云堯 胡增輝1，，3 吳 靜1，，3* 冷平生1，，3

（1. 北京農(nóng)學(xué)院林木分子設(shè)計育種高精尖創(chuàng)新中心，北京 102206；2. 北京農(nóng)學(xué)院園林學(xué)院，北京 102206；3. 城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京 102206）

丁香屬（Syringa）隸屬木犀科（Oleaceae），為多年生灌木或小喬木，主要分布于我國東北、華北、西北和西南地區(qū)［1］。全世界丁香屬植物約有27種，我國約有22 種，其中18 種為特有種，是丁香屬植物種質(zhì)資源的世界分布中心和栽培起源中心［2］。紫丁香（Syringa oblata）是我國栽培最為廣泛的丁香屬植物，因其花期早、花色淡雅、花香獨特及適應(yīng)性強等特點深受世人的喜愛，是我國北方園林綠化常用的觀花灌木。然而，我國對紫丁香的研究仍處于起步階段，以化學(xué)藥用研究為主，包括生物活性檢測［3］、化學(xué)成分分析［4］、生理特征研究［5］及藥用價值探究［6］等方面，但對其遺傳變異的研究及育種工作研究相對滯后。目前，紫丁香育種方式仍以傳統(tǒng)雜交育種為主，育種周期長、效率低且需要花費大量的人力物力［7］。

遺傳多樣性為物種涵蓋的種群間和種群內(nèi)個體間遺傳變異的總和，反映了生物種內(nèi)基因的豐富程度，也是生態(tài)系統(tǒng)多樣性和物種多樣性的基礎(chǔ)，遺傳多樣性包括表型、細(xì)胞學(xué)、生化和分子等多層次遺傳變異［8］。其中表型是各種形態(tài)特征的組合，是生物受制于生態(tài)環(huán)境條件的遺傳變異的表征［9～10］，其表型變異是遺傳多樣性研究的重要內(nèi)容［11～12］。同時，利用表型性狀研究遺傳多樣性也最為簡便、快速和經(jīng)濟，可以直觀地揭示種群的遺傳結(jié)構(gòu)與變異大小，是遺傳育種工作的基礎(chǔ)［13］。對于紫丁香而言，花部性狀是人們關(guān)注的焦點，本文通過對紫丁香種群的花部表型性狀進(jìn)行測定和分析，旨在揭示其在種群內(nèi)變異特征、表型分化程度，探明表型性狀間的相關(guān)關(guān)系，以期為紫丁香資源的遺傳育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究于2018～2019 年紫丁香花期，對種植于北京市昌平區(qū)北農(nóng)科技園的1 800 多株紫丁香實生單株進(jìn)行調(diào)查，以盡可能覆蓋紫丁香花部表型變異為原則，篩選出具有代表性的紫丁香195株，為本研究的材料。該群體已集中栽培多年，株齡均在8年左右，生長條件良好，各性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，栽培管理一致。

1.2 性狀調(diào)查

依照《植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測試指南（丁香屬）》中對丁香性狀的描述［14］，選取9個花部性狀并制定測定標(biāo)準(zhǔn)，包括5個數(shù)量性狀和4 個質(zhì)量性狀（見表1）。以每個單株為一個樣本，每個樣本分別從不同方向取5 個花序，按照圖1 所示標(biāo)準(zhǔn)用游標(biāo)卡尺測量花序長和花序?qū)?，然后每個花序再取5 朵小花，測量花冠裂片長、寬及花冠筒長。

為精準(zhǔn)定義花色，用色差儀（CR-400）測量花色，測量時選取5 個花序中上部小花25 朵分別從正反兩面測量花色，最終取平均值代表該樣本的花色。利用Color Mate 5 軟件輔助色差儀進(jìn)行CIELab值的收集和分析，獲得明度值（L*）、紅度值（a*）和黃度值（b*），以上所有性狀均在盛花期測定。

表1 紫丁香9個表型性狀測定標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Measurement standard for 9 phenotypic traits of S.oblata

1.3 數(shù)據(jù)分析

對于數(shù)量性狀，分別計算各性狀的平均值、最值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（Coefficient of variation，CV），其中CV（%）=（標(biāo)準(zhǔn)差/均值）×100；對于質(zhì)量性狀，統(tǒng)計其在群體中的分布頻率，計算多樣性指數(shù)（H'），其計算公式為：

式中：Pi表示第i 級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比［15］。

使用SPSS 軟件進(jìn)行單因素方差分析（ANOVA）、Pearson 相關(guān)性分析和聚類分析。另外，對于花色性狀，利用Color Mate 5 軟件將L*、a*、b*值轉(zhuǎn)換為蒙塞爾顏色系統(tǒng)［16］的色相H（Munsell Hue）、明度V（Munsell Value）和彩度C（Munsell Chroma），彩度C*和色相角h根據(jù)公式計算：

式中：C*值表示到L*軸的垂直距離，距離越大，彩度越大。利用ISCC-NBS 色彩名稱表示法［17］，此法由美國國內(nèi)色彩研究學(xué)會（Inter Society Colour Council）作成，而另由美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（National Bereau of Standand）整理而成。同時參照洪艷等［18］和吳靜等［19］對菊花和牡丹花色表型數(shù)量分類的方法，對紫丁香花色表型進(jìn)行分類。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)量性狀表型變異分析

方差分析表明（見表2），5 個數(shù)量性狀不同個體間表型變異差異極顯著（P＜0.01），其中紫丁香花序長的標(biāo)準(zhǔn)差最大，說明花序長的離散程度較高，而花冠裂片寬標(biāo)準(zhǔn)差最小，說明其離散程度低。5個數(shù)量性狀的變異系數(shù)CV范圍在19.72%～30.22%，其中花序長變異最大，花冠筒長最小，平均變異系數(shù)為24.97%。進(jìn)一步分析5 個數(shù)量性狀的表型頻率分布發(fā)現(xiàn)（見圖2），這5 個數(shù)量性狀在該群體中均符合正態(tài)分布。綜上所述，5個數(shù)量性狀變異豐富、個體間差異極顯著、基本符合正態(tài)分布。參試紫丁香材料中不同樣本間極顯著的表型差異為紫丁香選擇育種提供了重要種質(zhì)資源。

2.2 質(zhì)量性狀表型變異分析

4個質(zhì)量性狀中，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)。本研究根據(jù)ISCC-NBS 色彩名稱表示法，最終將紫丁香花色劃分為6 大色系：白色系（white group）、淺粉色系（pale pink group）、紫色系（purple group）、紫紅色系（purplish red group）、紫粉色系（purplish pink group）和藍(lán)紫色系（violet group）（見表3）。對各色系的CIELab 顏色系統(tǒng)參數(shù)（L*、a*、b*）值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各色系的L*、a*、b*值特征明顯，可以區(qū)分不同色系，紫紅色系的a*值偏大，在10.38～31.71，白色系和淺粉色系的a*偏小，范圍為-7.26～2.14，除白色系和淺粉色a*值有負(fù)值分布，其他色系的a*值均為正值；b*分布在-7.26～31.71；白色系和淺粉色系的b*值均為正值，紫粉色有部分為正值，其他色系均為負(fù)值；彩度C*值介于-16.72～8.66，色相角h值介于178.26～76.09。

表2 參試紫丁香表型性狀的描述性統(tǒng)計Table2 Descriptive statistics for phenotypic traits measured in the trail of S.oblata trees

4 個質(zhì)量性狀的分類占比見表4，從花色、花期、花冠裂片（狀態(tài)）來看，花色紫色、花期中期、花冠裂片（狀態(tài)）曲折所占比例最高，分別為54.35%、91.79%和52.82%；花冠裂片（周緣）平直所占比例最高，為36.41%，波狀和匙型占比相當(dāng)（31.79%）。4 個質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)在0.36～1.09，平均數(shù)為0.86，總體上反映了紫丁香較高的多樣性水平，但不同性狀間差異較大，其中花冠裂片狀態(tài)最大（1.09），花期最小（0.36）。

2.3 表型性狀相關(guān)性分析

將紫丁香的9 個表型性狀進(jìn)行Person 相關(guān)性分析，由表5 可知，5 個數(shù)量性狀互相之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，其中花序長與花序?qū)掗g的相關(guān)性系數(shù)最大，為0.767?；ㄐ蜷L與花冠裂片寬之間的相關(guān)性系數(shù)最小，為0.447?；ü诹哑顟B(tài)）與花冠裂片（周緣）呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，花色與花冠裂片（狀態(tài)）、花色與花冠裂片（周緣）、花冠裂片寬與花冠裂片（周緣）均呈顯著性正相關(guān)，其余均無顯著相關(guān)，表型性狀相關(guān)性分析可為紫丁香多性狀綜合選擇提供參考依據(jù)，也有助于我們更好了解性狀之間的互作。

表4 參試紫丁香種質(zhì)材料4個質(zhì)量性狀的頻率分布Table 4 Frequency distribution of 4 qualitative phenotypic traits of S.oblata trees

2.4 表型性狀聚類分析

根據(jù)紫丁香的9 個表型性狀，對195 份紫丁香種質(zhì)資源進(jìn)行Q 型聚類分析（見圖3），使其形態(tài)相似的聚為一類，結(jié)果表明：在歐式距離為10 時，可將供試的195 株紫丁香劃分為3 大類群，第一類群包含82 個個體，占供試材料總數(shù)的42.05%，這一類群材料主要性狀表現(xiàn)為花冠筒長，其他表現(xiàn)居中；第二類群包含33 個個體，占供試材料總數(shù)的16.92%，主要表現(xiàn)為花序長；第三類群包含80 個個體，占供試材料總數(shù)的41.02%，主要表現(xiàn)為花冠裂片長。

表5 紫丁香群體表型性狀的相關(guān)性分析Table5 Pearson correlation coefficients between each pair of variable of S.oblata

3 討論

表型是由基因型和外界環(huán)境共同作用的結(jié)果［20］。本研究供試的材料為成年植株，栽培條件一致，性狀表現(xiàn)已經(jīng)穩(wěn)定，ANOVA 分析表明，5 個數(shù)量性狀不同基因型間表型變異差異極顯著（P＜0.01），可認(rèn)為群體的表型變異主要取決于基因型差異，表型性狀遺傳多樣性是基因多態(tài)性在形態(tài)上的呈現(xiàn)［21］。豐富的種質(zhì)資源是現(xiàn)代育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，種質(zhì)資源多樣性的高低與其有效利用有直接關(guān)系。表型性狀的鑒定以及描述是研究種質(zhì)資源最基本的方法和途徑［22］。明軍等［23］以紫丁香的4 個天然群體和1 個栽培群體為材料分析了14 個表型性狀的遺傳多樣性，結(jié)果表明，各性狀間表現(xiàn)出不同程度的變異，變異系數(shù)范圍為14.25%～29.13%，其中天然群體變異系數(shù)范圍為9.22%～35.38%，栽培群體變異系數(shù)范圍為8.38%～23.68%。本研究測量的5 個數(shù)量性狀，其變異系數(shù)CV 的范圍在19.72%～30.22%，這與本研究結(jié)果基本一致。張興等［24］對哈爾濱市不同生境下的紫丁香栽培群體進(jìn)行花部部分性狀表型變異分析，平均變異系數(shù)范圍為10%～37%，這與本研究的結(jié)果也基本一致。龔梅香［25］分析巧玲花7 個表型性狀的遺傳變異發(fā)現(xiàn)，其中花冠筒長度的變異系數(shù)最小為14.63%，說明花冠筒長在群體中表現(xiàn)最穩(wěn)定，這與本研究的結(jié)果（19.72%）基本一致。另外，普遍認(rèn)為若群體表型變異系數(shù)超過10%，就認(rèn)為該群體表型性狀變異明顯［26］，變異系數(shù)也可以衡量觀測值的離散程度，變異系數(shù)范圍越大，觀測值的離散程度越高，表型變異越豐富［13，27］。本研究中，紫丁香群體5 個數(shù)量性狀變異系數(shù)均超過10%，且群體中各性狀都基本符合正態(tài)分布。對表型性狀相關(guān)性的分析發(fā)現(xiàn)，各數(shù)量性狀互相之間呈現(xiàn)顯著性正相關(guān)，花冠裂片長與花冠裂片之間的正相關(guān)系數(shù)為0.757，花冠裂片長與花冠筒長之間的正相關(guān)系數(shù)為0.524，這與龔梅香等［25］對巧玲花表型遺傳多樣性研究中結(jié)果基本一致。由此可見，該群體表型變異豐富，具有代表性，可用于后續(xù)的關(guān)聯(lián)分析。

該研究通過ISCC-NBS 色名表示法對紫丁香花色分為6類色系，并整理出了不同色系花色參數(shù)分布范圍。通過對紫丁香花色表型的L*、a*、b*值分析，發(fā)現(xiàn)紫丁香花色單一，多以紫色為主，有研究報道，花青苷和花黃素共同決定丁香的花色，飛燕草色素（Dp）是決定花色呈現(xiàn)藍(lán)色系的重要色素［28～29］。飛燕草素-3-O-蕓香糖苷（Dp3Ru）是丁香花瓣的主要色素成分，這種色素基礎(chǔ)決定了自然界中丁香花色主要以紫色、藍(lán)紫色調(diào)為主［30］，這與本研究表型調(diào)查的結(jié)果也相對應(yīng)。傳統(tǒng)的雜交育種手段已對丁香花色育種做出了重大貢獻(xiàn)，但是丁香花色仍以紫色為主，尤其是紫丁香，缺少紅色、橙色丁香，天竺葵色素（Pg）和矢車菊色素（Cy）是紅色花瓣呈現(xiàn)的化學(xué)基礎(chǔ)。如何提高紫丁香中這兩種色素的含量，對丁香的花色育種有很大的促進(jìn)意義。丁香的色素組成結(jié)果顯示，Dp3Ru是丁香花瓣中的主要色素，矢車菊素-3-O-蕓香糖苷（Cy3Ru）的含量非常低，色素含量也是影響花色的重要因素［30～31］，因此針對色素含量的紫丁香新品種育種仍有很大的育種空間。

4 結(jié)論

參試紫丁香種質(zhì)資源在個體水平上表現(xiàn)變異豐富，多樣性高。通過對紫丁香花色的測量及分析，認(rèn)為紫丁香花色單一，但其藍(lán)紫色表型淡雅，且在花色中不常見，可作為培育新品種的優(yōu)良選擇。該研究結(jié)果將為后續(xù)進(jìn)行紫丁香重要觀賞性狀與標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析奠定基礎(chǔ)，為紫丁香的遺傳育種提供技術(shù)支持。