18個木芙蓉品種與2個近緣種的數(shù)量分類和主成分分析

薛昱婷，劉 軍，劉曉莉，李方文，石小慶，馬 嬌，廖月

（1.四川農(nóng)業(yè)大學 林學院，四川 成都 611130；2.成都市植物園，四川 成都 610083）

數(shù)量分類學將傳統(tǒng)分類學與數(shù)學方法和計算機技術(shù)相結(jié)合，通過性狀編碼以及構(gòu)建樹形圖等方式，準確分析研究對象之間的演化趨勢和親緣關(guān)系，推進植物分類從定性的描述水平逐漸向精確定量的分析水平轉(zhuǎn)化，使其分析結(jié)果更具科學性、準確性和目標性[1-2]。數(shù)量分類學通常采用R型聚類方法分析所選性狀之間的關(guān)系[3]；采用主成分分析進行分類性狀的主成分提取，為進一步合理選取研究性狀提供理論依據(jù)[4]；在R 型聚類分析和主成分分析的基礎(chǔ)上，再利用Q 型聚類分析研究樣本之間的關(guān)系[5]。目前，數(shù)量分類學已在桂花[6]、杜鵑[7]、牡丹[8]、梅花[9]、月季[10]等多種栽培植物的親緣關(guān)系判定、種質(zhì)資源研究以及品種分類等方面得以廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

木芙蓉Hibiscus mutabilis是錦葵科Malvaceae木槿屬Hibiscus的落葉灌木或小喬木，也被稱作芙蓉花、據(jù)霜花等[11]，其花色艷麗，葉片寬闊，具有極高的觀賞價值和生態(tài)效益，在古今園林中倍受青睞，被廣泛應(yīng)用于街道、景區(qū)以及庭院花木配置中[12-13]。木芙蓉原產(chǎn)于中國，迄今已有上千年的栽植歷史，主要分布于湖南、江蘇、福建、臺灣、四川以及廣西等省區(qū)，其中四川成都分布最為廣泛，且被譽為成都市市花[14]。20 世紀80年代，成都市植物園開始對成都地區(qū)的木芙蓉品種進行研究，并開展了新品種的培育工作。目前，木芙蓉的品種已由原來的8 個增至20 余個，花期由原來的9—10月延長至6—11月[15]；此外，成都市植物園還從臺灣、福建等地引進了木芙蓉的近緣種，逐步推進更深層次的研究。

近些年，國內(nèi)外學者對于木芙蓉的研究主要集中在藥用價值[16]、材用價值[17]、內(nèi)含有機物種類[18]、引種栽培[19]以及新品種選育[20]等方面，而缺乏品種分類方面的研究，不利于木芙蓉的品種鑒定、種質(zhì)資源保護以及新品種的認證和推廣。因此，本試驗以成都市常見的18 個木芙蓉品種和引進的2 個近緣種為材料，選取18 個性狀指標進行統(tǒng)計分析和系統(tǒng)分類，探討木芙蓉各性狀之間的相互關(guān)系、品種分類的等級和標準以及木芙蓉品種之間、品種與近緣種之間的親緣關(guān)系，從而為木芙蓉在引種、選育以及園林應(yīng)用等方面的進一步發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究的試驗材料為成都市植物園科研苗圃中栽培的18個木芙蓉品種和引進的2個近緣種（表1）。

表118 個木芙蓉品種與2 個近緣種Table 1 Serial numbers and names of Hibiscus materials

1.2 木芙蓉性狀指標的觀測方法

試驗對18 個木芙蓉品種和2 個近緣種的3 個部位（花、葉、果）共18 個性狀指標進行觀測、拍照并記錄。其中，花徑、花梗長、花瓣長、花瓣寬、花瓣指數(shù)（花瓣長/花瓣寬）、苞片長、苞片寬、葉片指數(shù)（葉片長/葉片寬）等數(shù)量性狀采用游標卡尺測量法；內(nèi)輪花瓣數(shù)采用觀測計數(shù)法；花期、花瓣是否變色、花瓣基部紫斑、是否結(jié)實、葉緣鋸齒、葉片質(zhì)地等質(zhì)量性狀采用觀測法；柱頭顏色、初開花瓣主色以及葉色采用色卡比對法，參照英國皇家園藝協(xié)會比色卡（RHSCC）進行比對。每個品種選取3～5 株標準株，每個樣本每項性狀指標設(shè)置10 個重復(fù)，進行為期2 a（2019、2020年）的數(shù)據(jù)收集。

1.3 數(shù)據(jù)編碼方法

為使18 個木芙蓉品種和2 個近緣種的數(shù)量分類結(jié)果更趨客觀，在對其花、葉、果3 個部位進行觀察、測量并考慮實際應(yīng)用的基礎(chǔ)上，選取能代表種和品種特性的18 個性狀（表2）進行編碼處理。主要采用以下3 種編碼方法：1）二元性狀（Binary character，簡稱為“B”），按0 或1 進行編碼，肯定狀態(tài)為1，否定狀態(tài)為0；2）有序多態(tài)性狀（Ordered multistate character，簡稱為“O”），取連續(xù)排列的正整數(shù)1、2、3…進行編碼；3）數(shù)值性狀（Numerical character，簡稱為“N”），數(shù)值性狀不編碼，直接以原始數(shù)據(jù)形式進行運算[21]。

表2 性狀及編碼?Table 2 The characters and codes of materials

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

首先對原始數(shù)據(jù)進行標準化（STD）處理以消除不同量綱，數(shù)據(jù)處理采用SPSS 26.0 軟件對18 個性狀進行R 型聚類分析，聚類方法選用組間聯(lián)接，以Pearson 相關(guān)性為度量標準，作出性狀指標聚類的樹狀圖；采用主成分分析進行數(shù)據(jù)簡化，將多項指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾項綜合指標；根據(jù)R 型聚類和主成分分析的結(jié)果，去掉相關(guān)性較大且貢獻率較小的性狀指標，利用剩余指標對18 個木芙蓉品種和2 個近緣種進行Q 型聚類分析，聚類方法選用Ward 聚類方法，以平方Euclidean 距離為度量標準，作出分類結(jié)果樹狀圖[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 R 型聚類分析

對選取的18 個性狀進行R 型聚類分析，由樹狀圖（圖1）可知，有少數(shù)性狀在聚類圖上表現(xiàn)為兩兩相關(guān)或關(guān)系密切，如柱頭顏色與葉片質(zhì)地、花瓣長與花瓣寬、苞片長與苞片寬以及花徑與內(nèi)輪花瓣數(shù)。

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

花徑與內(nèi)輪花瓣數(shù)存在一定的相關(guān)性，但在實際觀測中發(fā)現(xiàn)二者對不同樣本的影響結(jié)果并不統(tǒng)一，存在內(nèi)輪花瓣數(shù)多但花徑較小、內(nèi)輪花瓣數(shù)少但花徑較大的現(xiàn)象，因此均予以保留；柱頭顏色與葉片質(zhì)地被聚為一組，但二者遺傳背景不同且不存在任何邏輯上的必然聯(lián)系，從觀賞角度來講也是2 個不同的觀賞性狀，因此均予以保留；花瓣長與花瓣寬、苞片長與苞片寬反映性狀有所重疊，因此選擇變異較大或較為重要的一個性狀即可。此外，圖中的其他性狀指標較分散，具有相對的獨立性，說明各性狀的選取較為合理。

2.2 主成分分析

對18 個性狀指標進行主成分分析，由主成分分析的結(jié)果（表3）可知，前6 個主成分的累計貢獻率達86.872%。第1 主成分的貢獻率最大，為27.834%，其中影響較大（特征向量絕對值較大）的性狀為苞片寬、苞片長、花瓣寬以及葉緣鋸齒；第2 主成分的貢獻率為17.362%，其中影響較大的性狀為柱頭顏色、葉色、是否結(jié)實以及葉片質(zhì)地；第3 主成分的貢獻率為16.223%，其中影響較大的性狀為花徑和花梗長；第4 主成分的貢獻率為9.528%，其中影響較大的性狀為初開花瓣主色以及花瓣是否變色；第5 主成分的貢獻率為9.481%，其中影響較大的性狀為花瓣指數(shù)和內(nèi)輪花瓣數(shù)；第6 主成分的貢獻率為6.444%，其中影響較大的性狀為花期。

表3 主成分分析的成分矩陣Table 3 Eigenvalues,contribution ratio and accumulative contribution ratio of the principal components

2.3 Q 型聚類分析

R 型聚類分析的結(jié)果表明，花瓣長與花瓣寬、苞片長與苞片寬的關(guān)系較為密切且反映的性狀有所重疊，可保留變異較大或較為重要的性狀用作進一步研究，從而避免相關(guān)性狀的相互影響；主成分分析的結(jié)果表明苞片寬、苞片長以及花瓣寬的貢獻率均較高，因此保留這3 個指標與其余14個指標一同進行進一步的研究。

利用篩選的17 個性狀指標對18 個木芙蓉品種和2 個近緣種進行Q 型聚類分析，由樹狀圖（圖2）可知，在等級結(jié)合線L1（D=20）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被分為2 大類，第1 大類為1 個品種和2 個近緣種，分別是‘錦蕊’‘臺灣芙蓉’和‘美麗芙蓉’，其共同特征是苞片平均寬度＞4.3 mm 且均結(jié)實；第2 大類則為其余17 個品種，分別是‘單瓣白’‘單瓣紅’‘重瓣白’‘重瓣白變紅’‘牡丹紅’‘牡丹粉’‘玉蕊’‘錦繡紫’‘百日華彩’‘彩霞’‘秋云’‘金秋頌’‘錦碧玉’‘醉芙蓉’‘醉云’‘大紅’以及‘醉紅’，其共同特征是苞片平均寬度＜3.8 mm。

圖2 Q 型聚類分析結(jié)果Fig.2 The dendrogram of Q-type clustering analysis

在等級結(jié)合線L2（D=10）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被分為4 大類，第1 大類仍為‘錦蕊’‘臺灣芙蓉’和‘美麗芙蓉’，其共同特征是苞片平均寬度＞4.3 mm 且均結(jié)實；第2 大類為‘錦繡紫’‘百日華彩’和‘彩霞’3 個品種，其共同特征是苞片平均寬度為3.0～3.8 mm 且均不結(jié)實；第3 大類為‘牡丹紅’‘牡丹粉’‘玉蕊’‘醉云’‘單瓣白’以及‘單瓣紅’6 個品種，其共同特征是苞片平均寬度為＜2.7 mm 且均結(jié)實；第4大類為‘重瓣白變紅’‘醉芙蓉’‘重瓣白’‘秋云’‘金秋頌’‘錦碧玉’‘大紅’以及‘醉紅’8 個品種，其共同特征是苞片平均寬度為＜2.7 mm，不結(jié)實或少量結(jié)實。

在等級結(jié)合線L3（D=5）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被分為10 大類。

苞片平均寬度＞4.3 mm 且均結(jié)實的1 個品種和2 個近緣種被分為2 類，第1 類為‘錦蕊’和‘臺灣芙蓉’，其共同特征是苞片平均寬度約4.6 mm，花瓣指數(shù)約0.94 且均為中花品種；第2類僅‘美麗芙蓉’，其苞片平均寬度約5.5 mm，花瓣指數(shù)約0.84，為晚花品種。

苞片平均寬度為3.0～3.8 mm 且不結(jié)實的3 個品種被分為3 類，其中‘百日華彩’的花徑大，花瓣指數(shù)約1.05，花瓣基部紫斑少量，葉片紙質(zhì)、黃綠色，葉緣具有尖銳鋸齒；‘錦繡紫’的花型緊湊，花徑較小，花瓣指數(shù)約0.89，花瓣基部紫斑少量，葉片厚紙質(zhì)、深綠色，葉緣具有圓盾鋸齒；‘彩霞’的花徑較大，花瓣指數(shù)約1.27，花瓣基部紫斑較多，葉片紙質(zhì)、黃綠色，葉緣近全緣。

苞片平均寬度為＜2.7 mm 且均結(jié)實的6 個品種被分為2 類，第1 類為‘牡丹紅’‘牡丹粉’‘玉蕊’和‘醉云’4 個品種，其共同特征較多，如內(nèi)輪花瓣數(shù)＜30，柱頭亮黃綠色，葉色黃綠、薄紙質(zhì)且葉緣具有圓盾鋸齒等，其中‘牡丹紅’‘牡丹粉’和‘玉蕊’又因均為早花品種而更早地聚在一起，而‘醉云’為中花品種；第2 類為‘單瓣白’和‘單瓣紅’，其共同特征是花期較早且無內(nèi)輪花瓣。

苞片平均寬度為＜2.7 mm，不結(jié)實或少量結(jié)實的8 個品種被分為3 類，第1 類為‘重瓣白’‘重瓣白變紅’以及‘醉芙蓉’3 個品種，其共同特征是初開花瓣主色為黃白色，其中‘重瓣白變紅’和‘醉芙蓉’又因花瓣變色而更早地聚在一起；第2 類為‘秋云’‘金秋頌’‘大紅’和‘醉紅’4個品種，其共同特征是花徑較大，初開花瓣主色為粉紫色且花瓣不變色，葉片指數(shù)約0.98；第3類僅1 個品種‘錦碧玉’，其花徑較小，初開花瓣主色為粉紫色，葉片指數(shù)約1.23。

由此可知，在等級結(jié)合線L2（D=10）處將18個木芙蓉品種和2 個近緣種劃分為4 大類為比較合理的分類結(jié)果。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

本試驗以18 個木芙蓉品種和2 個近緣種為材料，綜合R 型聚類分析、主成分分析以及Q 型聚類分析的結(jié)果，可以得出：苞片寬、是否結(jié)實、花徑、初開花瓣主色、花瓣是否變色、花瓣指數(shù)、內(nèi)輪花瓣數(shù)、花期早晚、葉色以及葉緣鋸齒等性狀可作為木芙蓉品種分類的性狀指標，其中苞片寬和是否結(jié)實對分類結(jié)果的重要性較高。此外，研究還表明數(shù)量分類在木芙蓉分類性狀選取、親緣關(guān)系判定以及品種分類上具有較強的可行性，可作為木芙蓉品種分類的一種有效方法。

3.2 討 論

植物分類性狀繁多，性狀的同源性、穩(wěn)定性和相關(guān)性是數(shù)量分類中性狀選取的核心[22]。R 型聚類分析主要用于揭示各性狀間的相關(guān)性，對性狀選取的合理性進行有效的評價，為進一步進行性狀的取舍提供定量化的依據(jù)[23]。本次實驗R 型聚類分析的結(jié)果表明，除花徑與內(nèi)輪花瓣數(shù)、花瓣長與花瓣寬、苞片長與苞片寬以及柱頭顏色與葉片質(zhì)地具有一定的相關(guān)性之外，其他性狀指標較分散，具有相對獨立性，在較高水平成組的性狀間并沒有進化上的必然聯(lián)系，由此說明各性狀的選取較為合理，但本試驗僅研究了部分性狀且主要為花部性狀，可某些品種的花期較短，使得選取花部形態(tài)進行分類存在一定的局限性。因此，應(yīng)在進一步研究中增加株型、枝姿、被毛情況、果實等性狀，從而更好地判別各性狀之間的關(guān)系，增加分類結(jié)果的科學性和實用性。

主成分分析的主要目的是將分散在一組變量上的信息集中到某幾個綜合指標上，簡化數(shù)據(jù)并盡可能多地反映原始變量的大部分信息以及變量之間的關(guān)系，從而使得數(shù)據(jù)分析更加簡單直觀[24]。本次試驗主成分分析所得的6 個主成分累計貢獻率達86.872%，其中第1、3、4、5、6 主成分主要反映了苞片大小、花徑、花期以及花瓣的大小、數(shù)量和顏色等花部特征，且以苞片大小的貢獻率最高。木芙蓉為觀花類植物，在花部特征上存在較大的遺傳變異，人工培育的主要目的也是增加花部形態(tài)的多樣性，因此花部性狀在其品種分類中的重要性較高，本研究選取的指標中也以花部性狀較多，這與桂花[25]、月季[26]、郁金香[3]等觀花類植物品種分類性狀選取的研究結(jié)果一致。此外，雖然葉片作為營養(yǎng)器官受到環(huán)境的影響較大，但仍具有穩(wěn)定性和保守性[27]，是形態(tài)分類的重要依據(jù)之一，第1、2 主成分也反映了葉部形態(tài)特征的重要性。本次試驗的所有樣本栽植在相同的環(huán)境條件下，在實際的觀察和對比中發(fā)現(xiàn)，僅根據(jù)葉片的葉緣鋸齒、葉片質(zhì)地和葉色便可對‘錦繡紫’‘百日華彩’以及‘彩霞’進行有效的區(qū)分，初步判定這些指標是可行的，在今后的研究中可采用更多穩(wěn)定的葉部指標，增加非花期品種鑒定的精確度。

Q 型聚類在不同的等級結(jié)合線處劃分的類別不同。在等級結(jié)合線L1（D=20）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被劃分為2 大類，但該聚類結(jié)果較少，未能將苞片平均寬度＜3.8 mm 的17 個品種進行有效的區(qū)分；在等級結(jié)合線L3（D=5）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被劃分為10 大類，但該聚類結(jié)果過多，且分類依據(jù)不夠明顯，不能較好地應(yīng)用于實踐中；在等級結(jié)合線L2（D=10）處，18 個木芙蓉品種和2 個近緣種被劃分為4 大類，不同類別之間主要依靠苞片寬和是否結(jié)實進行區(qū)別，分類依據(jù)明顯，分類數(shù)目恰當，為較合理的分類結(jié)果。根據(jù)苞片寬和是否結(jié)實可對20 個樣本進行有效的區(qū)分，表明苞片寬和是否結(jié)實是本次木芙蓉品種分類研究中的主要性狀，其重要性較高，這與主成分分析的研究結(jié)果一致；此外，以是否結(jié)實作為較高層次的分類依據(jù)，也與張亮等[28]對紫斑牡丹品種分類性狀選取的研究結(jié)果一致。

Q 型聚類可以用來揭示植物個體之間的遺傳關(guān)系，解決品種的來源及演化問題[5]。根據(jù)數(shù)量分類的原理可知，親緣關(guān)系越近，結(jié)合水平越高，就越早地聚為一類，如‘牡丹紅’‘牡丹粉’和‘玉蕊’，這3 個品種具有多個相似的形態(tài)特征，且較早地聚在一起，表明三者的親緣關(guān)系較近；反之，親緣關(guān)系越遠，結(jié)合水平就越低，就越晚地聚為一類，如‘錦蕊’與其他品種的形態(tài)差異大，且單獨與2 個近緣種聚為一類，表明‘錦蕊’與其他品種的遺傳關(guān)系較遠。然而，本試驗僅對成都地區(qū)的18 個木芙蓉品種以及引進的2 個近緣種進行了研究，在植物品種和栽培條件上存在局限性。品種分類工作應(yīng)該涉及盡可能多的地區(qū)及資源，進而比較不同地區(qū)之間品種的差異性，一方面研究地域條件對木芙蓉性狀的影響，以確定性狀選取的合理性和全面性；另一方面研究其他品種，從而判斷所形成的分類結(jié)果的穩(wěn)定性和實用性，應(yīng)在今后的研究中進行完善。

數(shù)量分類學能夠綜合各種來源不同的性狀指標，判明各性狀間的大致關(guān)系[29]，但在性狀的選取、編碼、數(shù)據(jù)標準化以及采用何種聚類方法等方面存在較強的主觀性，所得結(jié)果因為處理方法的不同而存在較大差異，使其在實際應(yīng)用中仍存在一定的局限性[6]。近些年，孢粉學、細胞學以及以分子標記為主要手段的遺傳多樣性研究已經(jīng)在品種分類上得以廣泛應(yīng)用，今后在進行木芙蓉品種分類時，應(yīng)綜合多種分類方法，以得到一個科學完善的分類結(jié)果。