39个牡丹品种的形态学分类研究

韩雪源，张延龙，牛立新

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌712100)

牡丹(PaeoniasuffruticosaAndr.)是芍药科(Paeoniaceae)芍药属(Paeonia)牡丹组(Sect.MoutonDC.)植物，为多年生木本灌木类[1]。牡丹是我国特有的植物资源，在我国有2 000多年的应用和栽培历史[2]，目前世界各地广为种植的牡丹均起源于中国。

根据牡丹亲本来源、形态特征、生物学特性和地理分布的不同，可将我国栽培的牡丹品种划分为4个品种群，即中原牡丹品种群、西北牡丹品种群、江南牡丹品种群和西南牡丹品种群。品种选育是牡丹产业可持续发展的重要保障，需要不断培育具有优良性状的栽培品种。但是，目前我国牡丹品种大多存在亲缘关系不清、遗传背景相近、育种工作效率低、品种出新率低等问题。因此，对牡丹品种进行清晰的分类非常重要。尽管各种同工酶标记和DNA分子标记已经被广泛地应用于植物种质资源的鉴定及分类研究中[3-6]，但是形态性状的鉴定和描述，仍然是种质资源研究的最基本的方法和途径。1990年，秦魁杰和李嘉珏[7]首次提出牡丹品种分类的4系2类13型的三级分类系统。1998年，成仿云等[8]在对花色变化和花型演化等与品种形成有关的现象进行长期观察后,提出了以花色为第一级分类标准的包括色、类、型、组和品种共5个分类等级的牡丹品种分类系统。本试验结合数学分类方法，对39个牡丹品种的26个性状进行统计分析和系统分类，以期探究牡丹品种分类的等级和标准，为牡丹的品种选育、遗传多样性和资源研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

试材选自西北农林科技大学牡丹园内的39个牡丹品种(表1)，其中包括32个中原牡丹品种、4个日本牡丹品种、1个法国牡丹品种和2个类群未知品种。植株平均年龄为9～10年。

表 1 供试牡丹品种及其所属类群

续表 1 Continued table 1

1.2 牡丹形态性状的观测

2013-03-05，每个品种选取生长健壮的5株植株，待植株第1朵花开花后，选顶端第2和第3朵花分别挂牌标记，每天观察记录。叶子的测量以叶子停止生长时，当年生枝基部向上第3个叶柄上的叶子为标准。数量指标大多用游标卡尺测量，包括花朵高度、花横径、花梗长、复叶长、复叶宽、叶柄长和当年生枝长以及心皮数目。质量性状采用目测，包括花期、花色、花瓣基部有无色斑、色斑颜色、色斑形状、瓣端类型、花态、着花量、外花瓣轮数、花型、当年生枝颜色、叶面颜色、叶背有无毛、叶面晕否、雄蕊花丝颜色和雌蕊柱头颜色等。每株每个形态性状均测3次，最终数量性状取其平均值。为减少颜色等性状的变化误差，每天下午15:00-16:00进行观察，对比PAN-TONE色卡，记录相关颜色性状。

1.3 聚类性状的选取与编码

试验选取花、茎、叶、果等各部位性状做聚类分析。性状编码(表2)采用等级数量编码的方法[9]：二元性状按0或1进行编码，可以区分性状间的进化关系，将原始性状编为0，进化性状编为1；不易确定的，肯定状态为1，否定状态为0。有序多态性状，尽可能按从原始性状不断进化的顺序，取连续排列的正整数1，2，3，…进行编码。无序多态性状多按生物进化顺序进行编码。数值性状不编码，直接以原始数据形式进入下一步运算。

表 2 牡丹26个性状及其编码

续表 2 Continued table 2

1.4 数据处理

为了消除不同量纲对数据分析产生的影响，首先对原始数值矩阵进行标准化(STD)处理，即正规化处理，然后运用聚类分析软件SPSS 18.0，对26个性状进行R型聚类分析，聚类方法采用组间联接，以Pearson相关性为度量标准，做出性状指标聚类树形图。同时采用主成分分析，通过降维的方法将多个指标简化为少数几个综合指标，使这几个少数综合指标可以反映原来所有指标的信息。根据R型聚类结果，去掉相关性大的性状指标，再对牡丹品种进行Q型聚类分析，采用对试验有较强分辨能力的平方Euclidean距离为度量标准，运用Ward聚类方法进行Q型聚类，并做出分类结果树形图。

2 结果与分析

2.1 39个牡丹品种26个性状指标R型聚类

R型聚类是对研究对象的观察指标进行分类，使具有共同特征的指标聚集在一起，以便选出具有代表性的观察指标进行分析，减少分析变量的个数[10]；同时，为下一步进行Q型聚类分析时合理选取性状提供参考。

由R型聚类输出的树形图(图1)可知，花瓣基部有无色斑与色斑颜色(r=0.766)、复叶长与复叶宽(r=0.659)、花瓣基部有无色斑与色斑形状(r=0.615)的相关性较大。但因为色斑的有无是分辨不同品种的明显指标，且色斑的有无与色斑的颜色和形状无逻辑关系，而本试验推测不同品种间色斑颜色与色斑形状具有相关性，因此在Q型聚类时，保留花瓣基部有无色斑、色斑形状和复叶长指标，而色斑颜色和复叶宽不参与Q型聚类。其余性状指标间相关性基本不大。树形图中各指标较分散，说明这些性状选取较合理，可以较好地划分牡丹品种，均可用于Q型聚类分析。

2.2 39个牡丹品种22个性状指标的主成分分析

由主成分分析结果(表3)可知，前10个主成分的总贡献率为83.480%。第1主成分的贡献率为16.129%，其中影响较大的性状是花瓣基部有无色斑、色斑形状和色斑颜色，其特征值均在0.750以上。第2主成分的贡献率为13.787%，影响较大的性状是复叶长和复叶宽，其特征值均在0.700以上。第3主成分的贡献率为12.060%，影响较大的性状是着花量、结实率和花横径，其特征值都在0.600以上。第4主成分的贡献率为8.653%，影响较大的性状是雄蕊花丝颜色、叶面晕否和花期，其特征值均在0.650以上。第5主成分的贡献率是7.698%，影响较大的性状是叶面颜色，其特征值是0.876。第6～10主成分的贡献率分别为7.224%，5.640%，4.635%，4.130%和3.524%，对其影响较大的性状依次是叶背有无毛和瓣端类型、当年生枝颜色、花色和雌蕊柱头颜色、花梗长和叶柄长、花朵高度。

图 1 牡丹26个性状指标的R型聚类树形图

2.3 39个牡丹品种的Q型聚类

由Q型聚类分析树形图(图2)可知，在等级结合线L1(D=20.75)处，39个品种被分为2大类，第1类为结实率较高、花期较早(除2个日本品种外)的品种类群，包括“赵粉”、“肉芙蓉”、“迎日红”、“粉中冠”、“雪映桃花”、“二乔”、“紫二乔”、“三变赛玉”、“金星雪浪”、“虞姬艳妆”、“黑花魁”和“岛锦”、“初乌”2个日本品种；第2类为结实率较低的品种类群，包括“状元红”、“绿香球”、“大胡红”、“珊瑚台”、“魏紫”、“紫蓝魁”、“姚黄”、“首案红”、“藏枝红”、“红宝石”、“卷叶红”、“十八号”等26个品种。

表 3 牡丹22个性状指标的主成分特征值、贡献率和累计贡献率

在L2(D= 17.54)处，39个品种被分为3类：第1类仍然为结实率较高的品种类群；第2类品种为结实率较低、且花瓣基部没有色斑的品种类群，包括“状元红”、“绿香球”、“大胡红”、“珊瑚台”、“魏紫”、“紫蓝魁”、“姚黄”、“首案红”、“藏枝红”；第3类是结实率较低、且花瓣基部有色斑的类群，包括“红宝石”、“卷叶红”、“十八号”、“菱花湛露”、“海黄”、“葛巾紫”、“乌龙捧盛”、“红霞”、“花王”、“白鹤卧雪”、“日月锦”、“白雪塔”、“香玉”、“银红巧对”、“景玉”、“大棕紫”和“霓虹幻彩”。

在L3(D=12.50)处，39个品种被分为4类，其中“红宝石”、“卷叶红”、“十八号”被单独分为一类， 但本试验发现这3个品种与第3类品种“银红巧对”、“大棕紫”、“菱花湛露”、“红霞”、“白鹤卧雪”等具有很多相似性状，它们的瓣端类型为浅齿裂，雌蕊柱头颜色基本为红色，心皮数目较少，叶柄都较长，找不到明显的分类依据。

图 2 39个牡丹品种的Q型聚类树形图

3 讨 论

关于牡丹品种分类性状的选取问题，通过数量分类分析时，本试验认为花期可以作为同一地区牡丹品种分类的重要指标。这与前人的研究有所不同，张亮等[11]在对西北地区紫斑牡丹传统品种的数量分类研究中，考虑到不同地域及不同小气候对花期有影响，因此在Q型聚类分析中未考虑花期数据。成仿云等[12]根据牡丹花色变化和花型演化提出了一个牡丹品种分类系统，该系统包括色、类、型、组和品种共5个分类系统。然而此次试验中，笔者建议将花型和花色作为牡丹品种分类的次级标准。因为即使在同一品种中，2种花型也可能同时出现。花色性状也不是很稳定，其随时间而变化。一般初花期的花色较深，而盛花期和末花期的颜色都较浅，甚至由粉色或黄色变为白色。周兴文[13]也认为，花型或花色相同的牡丹品种并不一定聚在一起，只有在其他形态学性状相差不大时才聚在一起，即只有亲缘关系较近时才会聚在一起。这与前人将花色、花型作为牡丹品种分类的第一、二级标准[14]有所不同，有待进一步研究。

综合分析后，笔者就牡丹品种分类性状选取和分类标准问题，提出以下2点建议： 1)在进行R型聚类分析时，与花瓣基部色斑形状和复叶长相关性较大的色斑颜色和复叶宽2个性状变化较不稳定。在类似试验中，建议不选取此2项指标或者以复叶的长宽比代替复叶长、宽2个性状。2)结实率、花瓣基部有无色斑可作为牡丹品种分类的第一、二级标准。它们主要由基因型决定，受外界环境影响小，能随品种稳定遗传，在分类上的作用明显，尤其对此次试验的39个牡丹品种的分类贡献较大。花期可作为牡丹品种分类的第三级指标。虽然花期受外界环境影响较大，但是在同一地区的品种分类上，花期对分类结果有很大贡献。花型和花色作为牡丹品种分类的第四级标准。虽然花型和花色对牡丹品种分类有一定的贡献，但其准确性较低。

本试验对牡丹品种的分类结果，与前人的研究结果基本一致。国外牡丹品种(主要指日本牡丹品种)与中原牡丹品种亲缘关系较近，即与孙俊娅[15]从花粉形态方面所得研究结果一致,本研究结果同时与侯小改等[16]从分子水平上发现部分中原牡丹品种与日本牡丹品种亲缘关系相近的结论一致。笔者通过查阅大量文献[2,17-19]，对于无法确定品种群归属的“金星雪浪”和“红霞”进行综合分析后推测：“金星雪浪”首先与“虞姬艳装”、“红霞”首先与“乌龙捧盛”聚为一类，说明他们的亲缘关系较近，并且形态特征相似，因此初步认为“金星雪浪”、“红霞”也均属于中原牡丹品种群。

4 结 论

通过主成分分析和Q型聚类得出：结实率、花瓣基部有无色斑、花色、花期、花型、色斑形状、雌蕊柱头颜色、雄蕊花丝颜色、叶面晕否、叶背有无毛、叶面颜色、着花量、花朵横径、花梗长和叶柄长等性状可以作为牡丹品种形态学分类的性状指标。并且，相对于其他器官的性状指标，花部器官的性状情况对牡丹品种分类的影响更大。同时，结实率、花瓣基部有无色斑和花期是牡丹品种分类的主要标准和依据。

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