DELTA系統(tǒng)在資源植物研究中應(yīng)用的兩個案例

崔夢偉，張士佳，3，沈風(fēng)嬌，白霄霞，李志斌，蔣淑磊，趙建成，李 琳*，石 碩**

（1.河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.石家莊市農(nóng)林科學(xué)研究院，河北 石家莊 050041；3.遵化市第一中學(xué)，河北 唐山 064299；4.石家莊市花卉技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050041；5.石家莊市神州花卉研究所有限公司，河北 石家莊 050021）

植物資源是一切可利用和可能利用植物的總合，在研究、開發(fā)和利用植物資源時需要以分類學(xué)研究為基礎(chǔ)［1-2］。分類學(xué)的研究結(jié)果通常以植物志書、植物名錄、鑒定手冊、檢索表等為主要的呈現(xiàn)方式，并使用各種來源的性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，為諸如生物多樣性、生態(tài)學(xué)等學(xué)科的研究提供了基礎(chǔ)信息［3］。其中，檢索表是用于物種鑒定和識別的工具。傳統(tǒng)的二歧式檢索表為單通道檢索表，使用者必須選擇指定性狀按照特定的路徑進(jìn)行檢索，當(dāng)某些關(guān)鍵特征缺失時就很難繼續(xù)檢索。此外，傳統(tǒng)檢索表不僅使用時靈活性較差、不方便攜帶，其編制過程繁瑣復(fù)雜，后期數(shù)據(jù)維護(hù)較難，無法便捷對性狀特征進(jìn)行增減。因此，改進(jìn)檢索表的編制方法，更新檢索表的展示形式并優(yōu)化鑒定方法已成為鑒定植物資源中一個亟待解決的問題。

隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時代的分類學(xué)（E-taxonomy）也逐步開展［3］。檢索表編制、物種鑒定和資源篩選的數(shù)字化正在成為一種潮流，基于此的數(shù)字化開發(fā)工具也層出不窮。如，Lucid Phoenix 是Lucid 家族的產(chǎn)品之一，用于編寫二歧式檢索表，并通過互聯(lián)網(wǎng)和CD 方式進(jìn)行發(fā)布和傳播［4］。Actkey 是一個基于網(wǎng)絡(luò)的交互式檢索表程序，能夠在線鑒定物種［5］，但由于它是一個在線使用的交互式檢索表，它要求用戶有一個良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。Navikey是一個搜索描述性數(shù)據(jù)的工具，它通常需要輔助程序、插件、Java 小程序等［5-6］，會導(dǎo)致使用時在下載程序和安裝上花費大量時間。DELTA（DEscription Language for Taxonomy）系統(tǒng)是由Dallwitz等在1971 年至2000 年間開發(fā)的一種靈活且強(qiáng)大的記錄分類學(xué)描述的計算機(jī)處理方法［16-18］。DELTA系統(tǒng)包含對用戶友好的圖形界面（GUI），可以從其網(wǎng)站上免費下載?；贒ELTA 的軟件還有一些本地和在線的版本，可供不同需求的用戶使用，例如：Open DELTA 和Free DELTA（http：//phylodiversity.net/key/key/makekey.awk）。DELTA 系統(tǒng)編制的交互式檢索表為多通道檢索表，使用時較靈活，沒有固定的性狀和路徑限制，即使某些性狀缺失也不影響鑒定過程的繼續(xù)執(zhí)行。此外，即便類群不能被交互式檢索表直接篩選出，該系統(tǒng)也能縮小潛在物種的名單以協(xié)助鑒定。

在這些工具中，DELTA 不僅能自動生成自然語言描述、交互式檢索表，以及生成用于系統(tǒng)發(fā)育分析所需的兼容數(shù)據(jù)格式，而且使用的系統(tǒng)為通用的Windows 系統(tǒng)，且可免費下載。自DELTA 系統(tǒng)發(fā)布至今，它從眾多相似功能的產(chǎn)品中脫穎而出，不斷有學(xué)者介紹DELTA 在分類鑒定中的功能、使用方法和發(fā)展前景，并大力推廣該軟件在生物學(xué)、農(nóng)林學(xué)中的應(yīng)用［7-15］（https：//florabase.dpaw.wa.gov.au/）。為更好地展示DELTA 系統(tǒng)的功能，我們在這里報道以下兩項利用這一系統(tǒng)進(jìn)行野生植物資源分類鑒定、資源篩選的研究案例。

傘形科Apiaceae 是被子植物中的大科，在中國約有114屬650種，其中河北省記錄有58種［19-23］。傘形科植物資源具有廣泛的應(yīng)用價值，例如：可食用的芹菜（Apium graveolensL.）和水芹［Oenanthe javanica（Bl.）DC.］、可藥用的當(dāng)歸［Angelica sinensis（Oliv.）Diels］和刺果芹［Turgenia latifolia（L.）Hoffm.］、可做香料的蒔蘿（Anethum graveolensL.）和葛縷子（Carum carviL.）［24-25］。由于傘形科的一些物種僅在果實形態(tài)上存在細(xì)微的差別，或者由于生長季節(jié)問題使待鑒定的標(biāo)本缺少營養(yǎng)器官或生殖器官的鑒定關(guān)鍵特征，致使在使用傳統(tǒng)的二歧式檢索表鑒定傘形科物種時存在困難［26］。這一問題影響著人們對傘形科植物的研究、開發(fā)和利用。目前，在Flora of China網(wǎng)站中，雖然有傘形科分屬的交互式檢索表和部分屬分種的檢索表，但對于河北傘形科植物物種鑒定的參考價值有限。因此我們嘗試制作河北傘形科植物分種的交互式檢索表。該交互式檢索表的編制也可以為其它地區(qū)的物種鑒定提供一個范例，有助于對其它地區(qū)傘形科植物資源的鑒定、研究和利用。

杜鵑花因其總狀花序較大、花色鮮艷、花姿優(yōu)美以及葉片常綠受到人們的喜愛［27］。歐美國家的植物園有“沒有杜鵑不成園”的說法［28］。杜鵑花屬植物在全世界約有1 000 種，中國有571 種，占全世界的57.1%，該屬中常綠的物種占比約90%［29-30］。其中，野生高山杜鵑，即具有“常綠、葉片革質(zhì)、總狀花序（Evergreen，Leathery，Racemose）”（中國杜鵑花研究中心定義）的杜鵑花品種，在園藝方面具有很大的觀賞和經(jīng)濟(jì)價值。中國的野生高山杜鵑品種較多，但通過馴化廣泛栽培的品種較少，其中一個主要原因是不能快速明確高山杜鵑在杜鵑花屬中的范圍從而進(jìn)行有針對性的野生類群馴化選育［31］。而DELTA系統(tǒng)編制的交互式檢索表可以為此提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

最新版的DELTA 系統(tǒng)可從其網(wǎng)站（https：//www.delta-intkey.com/）上免費下載。

杜鵑花屬的交互式檢索表可從Flora of China網(wǎng)站（http：//flora.huh.harvard.edu/china/）上免費下載。

根據(jù)《中國植物志》、Flora of China、《河北植物志》、中國數(shù)字植物標(biāo)本館（https：//www.cvh.ac.cn/）等資料［19-23，32］，獲得河北省58 種傘形科物種名錄。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)植物志和文獻(xiàn)資料對物種的描述和標(biāo)本館標(biāo)本的觀察研究，篩選出21個性狀特征用于交互式檢索表的編制，并記錄下每個物種所對應(yīng)的特征狀態(tài)。

1.2 研究方法

DELTA 系統(tǒng)編制交互式檢索表流程，如圖1所示：

圖1 DELTA編制檢索表流程圖Fig. 1 Flowchart of DELTA compiling

1.3 交互式檢索表編制：以河北省傘形科為例

在編制交互式檢索表時，主要用到的是DELTA系統(tǒng)中View 模塊下的分類單元編輯器Taxon editor、性狀編輯器Character editor和指令集Action Sets。

分類單元編輯器主要用于記錄分類單元的名稱和分類單元的數(shù)量。在本研究中，通過分類單元編輯器錄入了河北省58 種傘形科植物的名稱。

性狀編輯器主要用于編輯物種的性狀特征，主要的性狀類型有5 種：Unordered multistate（無序多態(tài)）、Ordered multistate（有序多態(tài)）、Integer numeric（整數(shù)值）、Real numeric（實數(shù)值）和Text（文本內(nèi)容）。在本研究中，通過性狀編輯器錄入篩選出的21 個傘形科性狀特征。傘形科物種性狀編輯主要用到兩種模式：無序多態(tài)和有序多態(tài)，其中，無序多態(tài)類型包括花瓣顏色和苞片形狀等，有序多態(tài)類型包括傘輻數(shù)量和苞片的數(shù)量等。

分類單元名稱和性狀特征錄入完成后，對每個物種所對應(yīng)的每個性狀狀態(tài)進(jìn)行勾選。數(shù)據(jù)錄入完成后的DELTA 編輯器界面，如圖2 所示，左側(cè)是分類單元名稱，右側(cè)是性狀特征。

圖2 DELTA編輯器的界面，以傘形科Apiaceae數(shù)據(jù)為例進(jìn)行展示Fig. 2 The DELTA editor interface，the Apiaceae DELTA database as an example

指令集Action Sets 是在錄入完成分類單元名稱和性狀特征后，進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的地方，以生成自然語言描述、檢索表、數(shù)據(jù)矩陣和Intkey文件等。該界面主要分為四個部分：Confor、Intkey、Dist、Key。Confor是DELTA系統(tǒng)中的核心處理組件，格式轉(zhuǎn)換在此進(jìn)行；Dist命令生成距離矩陣；Key命令生成檢索表。

將輸入的性狀特征和分類單元名稱進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，通過選定命令“Translate into INTKEY format”，單擊右側(cè)“Run”，程序運行，即可導(dǎo)出Intkey 所需格式文件。然后運行Intkey 界面下的命令“Intkey initialization file”，即可初步獲得河北省傘形科物種的交互式檢索表。之后需要針對大量標(biāo)本進(jìn)行測試（研究標(biāo)本來自中國數(shù)字植物標(biāo)本館）。根據(jù)測試結(jié)果反復(fù)調(diào)整性狀特征和類型，并進(jìn)行上述流程，最終使所用性狀特征和類型更有利于鑒定結(jié)果的產(chǎn)出，從而得到最終版本的“河北省傘形科物種的交互式檢索表”。

1.4 交互式檢索表應(yīng)用：以高山杜鵑野生資源篩選為例

本研究以Flora of China中杜鵑花屬的交互式檢索表為基礎(chǔ)，從571 種杜鵑花屬植物中篩選出符合中國杜鵑花研究中心給出的“常綠、葉片革質(zhì)、總狀花序”特征的高山杜鵑野生資源。首先，在Flora of China網(wǎng)站（http：//flora.huh.harvard.edu/china/）的Site Index 中找到DELTA Intkey，下載杜鵑花屬的檢索表，然后用Intkey打開。

Intkey 的界面主要分為四個部分，如圖3 所示。Best Characters：此部分為該檢索表用到的所有性狀。Used Characters：此部分為在鑒定物種過程中使用的性狀，在鑒定物種時，根據(jù)需要雙擊性狀名稱，然后單擊所需性狀狀態(tài)即可。Remaining Taxa：此部分為經(jīng)過性狀選擇后篩選出來的分類單元。Eliminated Taxa：此部分為經(jīng)過性狀選擇后被排除的分類單元。根據(jù)上述步驟，依次對三個特征進(jìn)行選擇后，結(jié)果如圖3 所示，篩選出符合“常綠、葉片革質(zhì)、總狀花序”特征的高山杜鵑共317種。

Intkey 程序還可對不同的分類單元進(jìn)行對比分析，比較兩個物種或多個物種之間的相同點與不同點。在Remaining Taxa 或Eliminated Taxa 下選擇兩個或多個分類單元，單擊右上角綠色圓圈標(biāo)志的符號，運行結(jié)果如圖3所示，顯示了所選物種間的所有區(qū)別性狀。利用這一結(jié)果，可幫助分類學(xué)者快速鑒定物種。

圖3 INTKEY界面，以杜鵑花屬Rhododendron交互式檢索表為例Fig. 3 The INTKEY interface，the genus Rhododendron interactive key as an example

2 結(jié)果與分析

2.1 河北省傘形科交互式檢索表編制

本研究得到了最終版本的“河北省傘形科物種的交互式檢索表”。我們用以下兩個例子來展示交互式檢索表在鑒定方面的簡便性。利用“株高約40 cm，單葉，葉片輪廓披針形，基部無纖維狀殘留，小苞片卵形”等可見特征能夠快速鑒定出該種為黑柴胡（Bupleurum smithiiWolff，圖4）；利用可見特征“株高約50 cm，傘輻10，基部無纖維狀殘留，葉三回羽狀復(fù)葉，葉片輪廓卵形，莖被短柔毛，萼齒卵形”可快速鑒定出該種為山芹［Ostericum sieboldii（Miq.）Nakai，圖5］。若使用傳統(tǒng)的二歧式檢索表鑒定黑柴胡和山芹時，需要解剖觀察果實每棱槽內(nèi)油管和合生面的數(shù)量。使用DELTA 建立的河北省傘形科物種的交互式檢索表，可以快速篩選出待鑒定物種所在范圍，然后通過不斷添加待鑒定物種的特征來鑒定到種。與傳統(tǒng)的二歧式檢索表相比，交互式檢索表使用起來更加方便、靈活。鑒定完成后還可以從Used Characters 下方看到鑒定過程中所使用的性狀，方便對結(jié)果進(jìn)行檢驗，同時對鑒定物種的性狀特征進(jìn)行總結(jié)。

圖4 鑒定黑柴胡（Bupleurum smithii）的INTKEY界面Fig. 4 The INTKEY interface for the identification of Bupleurum smithii

圖5 鑒定山芹（Ostericum sieboldii）的INTKEY界面Fig. 5 The INTKEY interface for the identification of Ostericum sieboldii

2.2 高山杜鵑野生資源篩選

基于杜鵑花屬的交互式檢索表，從571 種杜鵑花屬植物中篩選到符合常綠、葉片革質(zhì)、總狀花序特征的高山杜鵑共317種。

3 結(jié)論

本文通過展示兩個案例研究，介紹了DELTA 系統(tǒng)的使用方法與功能，以及DELTA 系統(tǒng)建立交互式檢索表用于資源植物鑒定和篩選的優(yōu)點。交互式檢索表為多通道檢索表，在對物種進(jìn)行鑒定時可以從任意特征開始，沒有固定的性狀和路徑限制，方便對不同生長發(fā)育階段的植物進(jìn)行鑒定。交互式檢索表的鑒定過程可不依賴紙質(zhì)載體，傳播方便，并且可對物種信息實現(xiàn)數(shù)字化管理，可及時對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，導(dǎo)出最新的交互式檢索表，以供使用。鑒定過程中可對不同的分類單元進(jìn)行對比分析，找到分類單元之間的區(qū)別性狀，幫助加快鑒定過程。鑒定完成后可查看鑒定過程中用到的性狀特征，可以進(jìn)行回溯，減少錯誤。DELTA系統(tǒng)不僅有利于專業(yè)人員進(jìn)行分類學(xué)研究，同時也為生物多樣性保護(hù)工作和資源調(diào)查研究與利用提供便利。因此，DELTA系統(tǒng)應(yīng)做為物種信息管理和植物鑒定的工具得到廣泛應(yīng)用。