鐘花櫻種系下16 個品種的數(shù)量分類和主成分分析

宋炎峰，李 蒙，朱淑霞，王紹軍，伊賢貴，段一凡，王賢榮*

(1. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037；2. 眉山盛世園林綠化有限責(zé)任公司，眉山 620010)

鐘花櫻Cerasus campanulata(Maxim.) Yu et Li，又名福建山櫻花，薔薇科櫻屬落葉喬木。廣泛分布于我國浙、閩、桂、粵、臺等省區(qū)，絕大部分呈野生狀態(tài)[1]。由于其花期較早，花色艷麗，對環(huán)境具有極強(qiáng)的適應(yīng)性，常與其他種（如紅山櫻C. jamasakura、櫻桃C. pseudocerasus、豆櫻C. incisa等）雜交培育出觀賞價值極高的栽培品種，因此開發(fā)利用前景很大，近年來也備受育種工作者們的關(guān)注[2-3]。目前，國內(nèi)對鐘花櫻的栽培管理和繁育技術(shù)日趨成熟，但對品種分類的研究工作尚鮮見報道，詳細(xì)描述鐘花櫻種系下品種的文獻(xiàn)資料也較少。王賢榮在2014 年出版的《中國櫻花品種圖志》詳細(xì)介紹了國內(nèi)山櫻花、迎春櫻、櫻桃等種系及其常見的栽培品種，而鐘花櫻種系僅收錄了6 個品種[4]，足以見得當(dāng)時育成品種之少，整體處于萌芽階段。近年來，人們將鐘花櫻作為母本與紅山櫻進(jìn)行雜交，產(chǎn)生子代C. kanzakura，再從子代中選育出‘大漁’、‘大寒’、‘修善寺’等花紅色鮮艷，萼筒筒狀鐘形，與母本形態(tài)結(jié)構(gòu)相似的優(yōu)良品種。從形態(tài)與親緣關(guān)系上來說，這些品種均可歸在鐘花櫻種系下。隨著鐘花櫻種系育成品種愈加豐富，在園林應(yīng)用方面愈加廣泛，探究鐘花櫻種系品種間差異及親緣關(guān)系，開展品種分類工作以填補(bǔ)該種系品種分類的空白極其重要。

數(shù)量分類在生物分類工作中應(yīng)用廣泛，并在木槿[5]、杜鵑[6]、小蒼蘭[7]等多種觀賞植物的品種分類中證實(shí)了其科學(xué)性和可行性。目前，利用數(shù)量分類方法僅對個別地區(qū)的櫻屬植物觀賞品種進(jìn)行聚類分析，如無錫[8]、南京[9]、青島[10]等地區(qū)。此類研究雖基本確定了區(qū)分不同種系下品種的性狀指標(biāo)，但其中涉及品種較雜且并不體現(xiàn)單一種源，所以并不具有代表性[11]。

本研究利用數(shù)學(xué)分類方法，通過系統(tǒng)聚類和主成分分析，對所收集的16 個鐘花櫻品種的21 個特征性狀進(jìn)行統(tǒng)計分析并系統(tǒng)分類，建立現(xiàn)有鐘花櫻品種分類譜系，探究鐘花櫻的分類等級和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而完善鐘花櫻的分類系統(tǒng)、梳理鐘花櫻品種，也為鐘花櫻資源利用、新品種選育等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

16 個鐘花櫻品種試驗(yàn)材料分別于2019 年2 月4日、3 月10 日和3 月13 日在福建省福州市丹櫻農(nóng)場、江蘇省南京市玄武湖公園、安徽省滁州市全椒縣天之川櫻花種植專業(yè)合作社采集。其中Cerasus×kanzakura來源于鐘花櫻與紅山櫻的雜交，其相關(guān)品種也與鐘花櫻種下品種相似。因此從形態(tài)與親緣關(guān)系上來說，這些品種均可歸在鐘花櫻種系（圖1和表1）。

圖1 16 個鐘花櫻品種Figure 1 Sixteen cultivars of C. campanulata

表1 供試鐘花櫻種系下品種及來源Table 1 Serial number, name and source of C. campanulata cultivars

1.2 鐘花櫻形態(tài)性狀觀測

每個品種于盛花期采集5 段帶花序的莖段，每段隨機(jī)選取5 多盛開花朵進(jìn)行觀測，并記錄花器官各項(xiàng)性狀參數(shù)。數(shù)量性狀指標(biāo)用游標(biāo)卡尺測定，包括總苞長、總苞寬、總梗長、花梗長、萼筒長、萼筒寬、花冠長、花瓣長、花瓣寬、花萼長、花萼寬和雄蕊長。質(zhì)量性狀采用目測，包括花期、花瓣顏色、每花序花數(shù)、總苞數(shù)、小苞片、雄蕊數(shù)、花瓣數(shù)及花瓣排列方式。每個指標(biāo)測量5 次，最終取其平均值。性狀編碼（表2）采用等級編碼方法：二態(tài)性狀6 個，按“0”、“1”編碼；多態(tài)性狀2 個，按“0”、“1”、“2”編碼。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 25.0 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，首先對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（STD）以消除不同量綱對數(shù)據(jù)分析的影響，再對21 個性狀進(jìn)行R 型聚類分析，聚類方法采用組間聯(lián)結(jié)，度量標(biāo)準(zhǔn)采用皮爾遜相關(guān)性，做出性狀指標(biāo)聚類的譜系圖；降維對標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)進(jìn)行主成分分析，篩選出少數(shù)貢獻(xiàn)率大的指標(biāo)，利用這些指標(biāo)對鐘花櫻品種進(jìn)行Q 型聚類分析，聚類方法采用瓦爾德法，度量標(biāo)準(zhǔn)采用平方歐式距離并做出分類結(jié)果譜系圖。

表2 鐘花櫻品種的21 個性狀指標(biāo)及其編碼Table 2 Twenty-one characters and codes of C. campanulata cultivars

2 結(jié)果與分析

2.1 21 個性狀指標(biāo)的R 型聚類

R 型聚類是對16 個鐘花櫻品種的性狀指標(biāo)進(jìn)行分類，根據(jù)譜系圖（圖2）可知，花瓣長與花瓣寬（r= 0.893），花瓣寬與花瓣指數(shù)（r= 0.876）相關(guān)性也較大。本試驗(yàn)推測花瓣長寬及花瓣指數(shù)（花瓣寬/花瓣長×100）是鑒別鐘花櫻品種群的重要性狀指標(biāo)，故予以保留。如圖2 所示，其他性狀較為分散，均未呈現(xiàn)相關(guān)性，可用作后續(xù)分析。

圖2 使用平均聯(lián)接（組間）的21 個性狀的R 型聚類譜系圖Figure 2 R-type clustering analysis of 21 characters of C. campanulata cultivars using average group linkage

表3 主成分的特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalue, contributor rate and accumulative contributor rate of the principal components

圖3 使用沃德聯(lián)接的16 個鐘花櫻品種Q 型聚類譜系圖Figure 3 Q-type cluster analysis of 16 C. campanulata cultivars using Ward linkage

2.2 21 個性狀指標(biāo)的主成分分析

根據(jù)主成分分析結(jié)果（表3）可知，前7 個主成分累計貢獻(xiàn)率為85.331%。第1 主成分的貢獻(xiàn)率最大為27.061%，影響較大的性狀為花瓣寬（0.902）、花瓣長（0.746）、花萼長（0.746）、花瓣指數(shù)（0.735）、花型大?。?.708）和花梗長（0.607）；第2 主成分的貢獻(xiàn)率為15.947%，影響較大的性狀為花瓣數(shù)（0.769）、雌蕊長（0.677）、花萼寬（0.656）和萼筒寬（0.625）；第3 主成分的貢獻(xiàn)率為12.216%，影響較大的性狀為總苞數(shù)（0.588）；第4 至第7 主成分的貢獻(xiàn)率分別為10.311%、8.204%、6.039%和5.553%。

2.3 16 個品種的Q 型聚類

通過對21 個性狀指標(biāo)進(jìn)行R 型聚類分析和主成分分析，在前7 組中選擇貢獻(xiàn)較大的性狀，包括花瓣寬、花瓣長、花萼長、花瓣指數(shù)、花型大小和花瓣數(shù)6 項(xiàng)性狀指標(biāo)進(jìn)行Q 型聚類分析。

根據(jù)Q 型聚類譜系圖（圖3）顯示，在等級結(jié)合線L1（D= 20）處，16 個品種分為2 大類，第1大類花瓣較寬（＞12），包括‘大漁’、‘河津’、‘修善寺’、‘寒櫻’、‘粉巨人’、‘丹霞’、‘紅粉佳人’、‘大寒’、‘陽光’9 個品種和鐘花櫻，第2 大類花瓣較窄（≤12），包括‘飛寒’、‘惜春’、‘八重寒緋’、‘琉球寒緋’、‘椿寒’和‘才力’6 個品種。

在等級結(jié)合線L3（D= 10）處，16 個品種被分為3 大類。第1 大類中‘陽光’的花瓣長寬明顯大于該類群中其他品種，花型較大，故從原類群劃出單獨(dú)歸為一類。

在等級結(jié)合線L4（D= 5）處，16 個品種被分為5 大類。根據(jù)花型大小，將第1 類群中花型較小（≤ 30）的‘丹霞’、‘紅粉佳人’、‘大寒’和鐘花櫻分為一類；同時，‘椿寒’和‘才力’由于花萼長度均短于原類群中的其他品種，故劃為一類。

3 討論與結(jié)論

數(shù)量分類方法是利用計算機(jī)對選取的各項(xiàng)表型性狀進(jìn)行處理，建立數(shù)學(xué)模型并分析，達(dá)到對有機(jī)體親緣關(guān)系近或遠(yuǎn)的聚集或分類的目的[11]。該方法利用多項(xiàng)性狀指標(biāo)進(jìn)行全面綜合分析，擺脫了傳統(tǒng)分類方法的束縛。其中R 型聚類分析反映了性狀間的相關(guān)性，Q 型聚類反映了品種間的親緣關(guān)系[12]。

本試驗(yàn)R 型聚類分析結(jié)果表明，供試鐘花櫻觀賞品種的花瓣長寬相關(guān)性較大，花冠寬度與花瓣指數(shù)相關(guān)性也較大，其他性狀相對獨(dú)立。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該品種群花瓣寬度變異幅度大于花瓣長度，花瓣形狀受花瓣寬度影響較大，但整體花冠形態(tài)較為穩(wěn)定。本試驗(yàn)并未采用雌雄蕊情況、葉形等性狀指標(biāo)，故無法精確揭示各性狀間關(guān)系。因此，在以后的研究工作中，可增加葉形的各項(xiàng)指標(biāo)并擴(kuò)大品種數(shù)量，完善鐘花櫻品種譜系建立。

主成分分析是通過對原始性狀指標(biāo)篩選，選出少數(shù)貢獻(xiàn)率大的性狀指標(biāo)[13]。本研究中，主成分分析結(jié)果表明，花瓣寬、花瓣長、花萼長、花瓣指數(shù)、花型大小和花瓣數(shù)6 項(xiàng)性狀影響較大，這為以后鐘花櫻品種分類的性狀選擇提供參考。

Q 型聚類分析結(jié)果表明，花瓣寬度、花型大小、花萼長度等性狀指標(biāo)可作為供試鐘花櫻觀賞品種的分類依據(jù)，其中花瓣寬度和花型大小可作為品種分類的重要性狀指標(biāo)。同時發(fā)現(xiàn)花萼長度是鐘花櫻品種分類的次要因素，花色并不影響鐘花櫻品種分類，花型是否為復(fù)瓣也不是影響鐘花櫻品種分類的主要因素。

梳理前人對櫻屬植物不同觀賞品種的分類結(jié)果[14]，通常選擇穩(wěn)定性狀作為分類依據(jù)，如花型、花色、葉緣鋸齒、葉被顏色等。王賢榮等在對無錫地區(qū)櫻花品種進(jìn)行整理時也建立了一套適合櫻花品種的分類依據(jù)，將萼筒形狀、花瓣瓣化程度、花期作為一級分類標(biāo)準(zhǔn)，花序類型、花梗、花萼、花柱被毛程度和雌蕊瓣化程度等性狀為二級分類標(biāo)準(zhǔn)，總梗長短、苞片形狀、植物習(xí)性、幼葉顏色、托葉形狀、腺體位置、果實(shí)顏色和抗性強(qiáng)弱等為三級分類標(biāo)準(zhǔn)[8]。然而本試驗(yàn)對鐘花櫻品種進(jìn)行分類所基于的性狀指標(biāo)多為數(shù)量性狀，受非遺傳因素影響較大。因此，為建立一個具有說服力的分類標(biāo)準(zhǔn)，不僅要增加對花器部分各項(xiàng)性狀指標(biāo)的選擇，可能還應(yīng)追加葉型、幼葉顏色、果實(shí)顏色等指標(biāo)，使得分類結(jié)果更為全面。

數(shù)量分類過程中，對于供試品種性狀的選擇和聚類方法的使用受主觀影響很大[15]，僅使用數(shù)量分類方法不足以對目前的分類結(jié)果提供佐證。付濤等[16]對櫻屬植物分類工作上采用的不同生物學(xué)方法進(jìn)行了總結(jié)，并利用SSR 分子標(biāo)記技術(shù)對我國30 種櫻屬植物進(jìn)行親緣關(guān)系鑒定，分子證據(jù)與傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分類有一定出入。

綜上所述，選擇數(shù)量分類方法應(yīng)對各品種表型性狀進(jìn)行更廣泛地選擇，同時細(xì)胞學(xué)、孢粉學(xué)和分子標(biāo)記技術(shù)也可對分類結(jié)果提供有力的佐證。相輔相成地運(yùn)用多種生物學(xué)手段，完善鐘花櫻品種分類標(biāo)準(zhǔn)，健全品種分類體系，為下一步研究工作指明了方向。