菊花杂交一代叶片形态数量性状分析

郭春晓，孔德元，马海燕，郑成淑*

(1.聊城市农业科学院，山东 聊城 252000；2.山东农业大学园艺科学与工程学院，山东 泰安 271018；3.广饶县城市管理服务中心，山东 广饶 257300)

菊花(Chrysanthemum morifolium Ramat.)是菊科(Comositae)菊属(Chrysanthemum)多年生草本花卉，品种资源丰富，对其进行品种鉴定、分类以及品种权保护工作的困难越来越大[1]。 利用叶片形态特征进行品种鉴定和分类是最基本也是最重要的方法之一[2-4]，张辕[5]基于735 个中国传统菊花品种，对18 个叶部性状进行连续观测，发现叶片形态特征作为花型、花色之后的三级鉴定指标是完全可行的，在相同花型、瓣型和花色的情况下，依靠叶部形态特征的分辨率为27.14%。冯晴云[6]通过对菊花叶长、叶宽、叶形和锯齿情况的观测发现其存在广泛的遗传多样性。 沈凤[7]等对189 个切花菊品种的12 个叶部性状进行观测，发现顶生裂片相对于叶的长度、最低位一级裂刻深度是引起切花菊叶部形态差异的主要原因。 雒新艳[8][9]等对400 个中国传统大菊品种18 个数量性状进行观察和统计过程中发现，菊花叶柄长，叶片长和叶片宽的概率分级情况与测试指南中的分值点存在一定出入。许莹修[10]等研究表明，利用叶片形态特征变异可在菊花观赏和分类中起重要辅助作用[16]，降低鉴定成本并提高效率。 为此，本研究对295 个中国传统大菊杂交1 代植株的叶片基本形态、 叶裂片等形态特征进行观测和统计，结合多元统计方法[11-13]对杂交后代群体叶片进行数量分类研究，探索菊花叶片的数量化分类标准，为菊花品种鉴定和其他植物分类提供参考。

1 材料与方法

1.1 植物材料与采集

选择山东农业大学菊花资源圃中自由授粉产生的杂交1 代群体，群体内包括植株个体295 株，栽培地点设在山东农业大学园艺实验站，定植密度30 cm×30 cm，株高40 cm 时取植株顶叶下第9、10、11 片叶片。

1.2 叶片形态性状的选取和测量

1.2.1 叶片性状的测量

测量的叶形性状如下：(1)叶片基本形态，包括叶长、叶宽、叶片最宽处所在位置；(2)叶裂片形态，包括叶脉长(4 个侧叶脉，用从T 点到B 点之间的距离TB 表示)、叶脉角度(4 个侧叶脉和主叶脉之间的夹角)、裂片长(顶裂片长及4 个侧裂片长，用TM 表示)、裂片宽(顶裂片宽及4 个侧裂片宽)；共计21个性状(图1，表1)。

图1 选取的叶片形态性状测量方法

表1 选取测量的叶部性状

1.2.2 叶形结构参数的标准化描述

将上述21 个性状中的前17 个性状进一步转化为12 个叶形结构参数(表2)，其余4 个性状不做任何处理。

表2 13 个叶形结构参数

1.3 数据分析方法

1.3.1 表型性状在单株内和不同单株间的变异系数分析

通过单株内和不同单株间的变异系数对叶部表型性状的一致性进行描述，利用Microsoft Excel 2010 计算33 个数量性状的变异系数，公式如下：C.V(%)=标准差/平均值*100%，C.V 为变异系数。将每个单株上获得的3 个样本计算对应数量性状的变异系数，再求平均值，得到单株内变异系数。 计算所有样本对应的数量性状的变异系数均值， 得到单株间变异系数。 将变异系数在单株内小于15%作为单株内一致的标准，变异系数在不同单株间大于20%作为单株间有明显差异的标准[11]。

1.3.2 相关性分析和主成分分析

利用PASW Statistics 20.0 对性状进行Pearson 相关性分析，讨论不同性状之间的相关性。 利用PASW Statistics 20.0对性状进行主成分分析(PCA)，采用最大方差法(vari-max)对因子进行旋转，然后根据Kaiser 准则(特征根>0.9)提取主成分。

2 结果与分析

2.1 叶片表型性状的变异分析

变异系数分析结果表明，21 个数量性状 (C1—C21) 的单株内变异系数范围为7.39%～18.60%， 平均12.36%。 其中4 个侧裂片长度(C9—C12)在单株内的变异系数均大于15%，侧裂片宽度(C14—C17)也均在15%左右，说明侧裂片长度和宽度在单株内的一致性较差。 同时，17 个数量性状(C1—C17)在不同单株间的变异系数范围为21.37%～35.41%，平均28.61%，说明这些性状不同单株间差异明显，而4 个侧裂片叶脉开张角度(C18—C21)的单株内变异系数均小于10%，单株间变异系数也均小于20%，说明这些性状在单株内的一致性非常高，但不同单株间的差异不甚明显，是否适合作为叶片形态分类指标有待分析。

对12 个叶形结构参数(C22—C33) 的变异系数进一步分析， 数据显示这些性状的单株内变异系数在9.43%～14.64%内，平均11.67%，表明单株内一致性好， 单株间变异系数在16.66%～35.14%内，平均25.33%，说明不同单株间的差异明显。 值得注意的是顶裂片和侧裂片的数量性状在转化为叶形结构参数后，单株内变异系数明显降低，一致性更好，同时不同单株间仍保持较高的差异性，说明利用叶形结构参数作为分类指标比直接利用叶部数量性状更加可靠。12 个叶形结构参数的单株间变异系数从大到小依次为： 裂片长/裂片宽>裂片长/叶脉长>叶片最宽处所在位置/叶长>叶长/叶宽， 显然菊花叶裂片的形态变化最为丰富。

综上，筛选出单株内一致性较好，且不同单株间差异明显的叶形结构参数12 个(C22—C33)、4 个叶脉开张角度作为分类性状。

2.2 相关性分析

Pearson 相关性分析表明， 左侧和右侧裂片间的各个性状相关性均达到极显著水平，相关系数范围0.659～0.979(表3)，说明菊花叶片近似于对称。 上部裂片与下部裂片相关系数略低于左侧和右侧裂片之间的相关系数，范围0.445～0.693，但也具有极显著的相关性。 此外，顶裂片与4 个侧裂片的各个性状间也有极显著的相关性， 且上侧2 个裂片与顶裂片的相关性大于下侧裂片与其的相关性。可见， 菊花所有叶裂片的各性状间均有极显著的相关性， 因为下部叶片的单株内变异系数较小，稳定性更好，所以选用左下侧裂片作为代表继续进行下述分析。

表3 菊花叶片性状描述性统计

表4 顶裂片和侧裂片各性状的Pearson 相关性分析

根据4 和表5 的结果， 以左下侧裂片为代表，利用叶形结构参数，选择叶长/叶宽(C22)、叶片最宽处所在位置/叶长(C23)、左下裂片长/左下叶脉长(C27)、左下裂片长/左下裂片宽 (C32)、 左下叶脉开张角度(C20)这5 个性状作为菊花叶片形态分类指标。对这5个性状进行Pearson 相关性分析发现， 左下裂片长/左下裂片宽(C27)与左下裂片长/左下叶脉长(C32)的相关系数为0.684，叶长/叶宽(C22)与左下叶脉开张角度(C20)的相关系数为-0.406。除这两对性状的相关系数绝对值大于0.3 外， 其余性状之间的相关系数均小于0.3，说明各性状之间的独立性较好，适合作为菊花叶片的分类性状。

表5 菊花叶片5 个分类性状的相关性分析

2.3 主成分分析

对上述筛选出的5 个性状进行主成分分析，按照特征值大于0.9 的要求，可以提取3 个主成分，其特征值分别是1.684、1.458、1.015，3 个主成分的累计贡献率达到83.13%，旋转矩阵中特征向量绝对值最大的性状即归为该主成分， 第1 主成分中，C27 的特征值为0.91，C32 的特征值为0.924，均大于0.9。 第2 主成分中，C22 的特征值为0.859，C20 的特征值为0.806，均大于0.8。 第3 主成分中，C23 的特征值为0.990，大于0.9。 由此可知，第1 主成分包括左下裂片长/左下叶脉长和左下裂片长/左下裂片宽两个性状；第2 主成分包括叶长/叶宽和左下叶脉开张角度两个性状；第3 主成分包括叶片最宽处所在位置/叶长一个性状。 这5 个性状对菊花叶片分类起关键作用。

3 个主成分所包含的主要性状关系显示，裂片的形态变化是造成菊花叶片形态多样性的最主要原因，这与1 中对变异系数分析所得的结果相吻合，其次是叶片基本形态。 因此，接下来本研究将从叶裂片形态和叶片基本形态两个方面对菊花叶片进行分类。

2.4 菊花叶片形态类型分类结果

根据上述结果，将叶片基本形态分为4 类，分别为圆形(长宽比0.8～1.25)、卵形(长宽比1.25～1.4)、长卵形(长宽比大于1.4，且叶片最宽处所在位置/叶长≤0.55)和倒卵形(长宽比大于1.4，且叶片最宽处所在位置/叶长>0.55)。裂片形态根据深度和宽度分为：①浅裂，宽裂片(裂片长/叶脉长0.15～0.3，裂片长/裂片宽≤1.4)；②中裂， 宽裂片 (裂片长/裂片宽0.3～0.5，裂片长/裂片宽≤1.4)；③深裂， 宽裂片 (裂片长/叶脉长>0.5， 裂片长/裂片宽≤1.4)； ④深裂，窄裂片(裂片长/叶脉长>0.5，裂片长/裂片宽>1.4)，由此可组合出16 种不同的菊花叶片形态类型， 但在实际观察过程中未发现倒卵形，浅裂，宽裂片和倒卵形，深裂，窄裂片的叶片，所以本次取样的295 株菊花叶片实际可分为14 种叶片类型。

表6 旋转成分矩阵

圆形叶叶长近等于叶宽，下部裂片开张角度比上部裂片开张角度大， 且下部裂片长于上部裂片，叶片基本形态呈圆形。 卵形叶片叶长大于叶宽，最宽处由下部2个裂片最外侧构成， 下部裂片开张角度和上部裂片开张角度相近或略大于上部裂片， 叶片呈卵状或阔卵状。 长卵形叶片叶长大于叶宽， 叶片最宽处位于叶片的中下部， 上下部裂片开张角度和长度均相近，叶片呈长卵圆形。 倒卵形叶叶长大于叶宽， 叶宽由上部两个裂片最外侧构成， 叶片最宽处也位于叶片的中上部， 上部裂片长于下部裂片。

从295 株菊花叶片形态的分类情况来看， 分布最多的叶片基本形态是圆形和卵形， 分别占总数的38.98%和32.88%，其次是长卵形，占比24.75%，倒卵形叶片最少，且缺少浅裂、宽裂片和深裂、窄裂片类型的叶片， 仅占总数的3.39%。 从叶裂片形态看，中裂，宽裂片类型数量最多， 占总数的56.95%， 其次是深裂， 宽裂片类型，占28.81%，浅裂，宽裂片类型和深裂，宽裂片类型的数量极少，分别占10.17%和4.07%。 由此可见， 典型的菊花叶片形态为圆形或卵形，裂片以中裂，宽裂片类型为主。

表2-5 不同形态类型的菊花叶片

表8 各形态类型叶片分类标准

3 讨论

表9 295 个菊花叶片分类统计

菊花叶片丰富多变的姿态不仅在观赏过程中起到重要的辅助作用，对于分类和遗传学研究也有重要价值[14][15]。 本研究选取了叶片基本形态、叶裂片形态等21 个数量性状和12 个叶形结构参数进行观察和计算分析，变异系数分析结果表明，本次选取的21 个数量性状均有稳定性和多样性的特点，可以比较全面地描述菊花叶片的形态变化。 将直接测量得到的数据转化为叶形结构参数后，单株内变异系数降低的特点表明其更适合作为分类依据，这主要是因为数量性状受观测条件影响较大，如生长过程中水分和养分供给情况不同、年龄差异等导致叶片未充分展开等。 本研究未选用叶片颜色、叶片绒毛多少、叶片卷曲程度等性状进行观测，主要考虑这些性状在观测时受主观影响较大，沈凤[7]等对切花菊叶片遗传多样性分析过程中对叶基部形状、叶先端形状、叶缘锯齿深浅这3 个质量性状进行了观测，结果表明质量性状在品种内的一致性非常好，不易受环境条件影响，适合作为分类标准。 但本研究主要关注数量性状在杂交群体中的分布情况及其作为分类依据的价值，所以没有选取上述质量性状进行观察统计。 主成分分析结果表明，第一主成分中特征向量绝对值大于0.5 的性状有裂片长/叶脉长和裂片长/裂片宽，第二主成分中特征值高的有叶长/叶宽和左下叶脉开张角度，第三主成分包括叶片最宽处所在位置/叶长。 表明影响菊花叶部形态多样性的第一因素是叶裂片形态，其次是叶片基本形态。张冬菊[13]基于对56 个切花菊叶片，通过对形态性状的权重分析发现，裂片长度相对于叶脉长度、最低位一级裂刻深度和叶长/叶宽是引起切菊花叶片形态差异的主要原因，本文结果与其一致。 通过以上分析，确定了从裂片形态和叶片基本形态两个维度对菊花叶片进行分类。

4 结论

《中国菊花图谱》中将菊花叶形分为正叶、深裂正叶、长叶、深裂长叶、圆叶、葵叶和蓬叶七类，但分类标准仅对叶形进行了大致的定性描述，没有进行具体定量分类[8]。 本文提出的分类标准采用二级分类法，第一级为叶片基本形态，第二级为裂片形态，对295 个中国传统大菊杂交一代的叶片进行定义和分类， 4 种叶片基本形态分别是圆形(长宽比在0.8～1.25)、卵形(长宽比在1.25～1.4)、长卵形(长宽比大于1.4，且叶片最宽处所在位置/叶长小于0.55)和倒卵形(长宽比大于1.4，且叶片最宽处所在位置/叶长大于0.55)。 裂片深度分为浅(裂片长/叶脉长在0.15～0.3)、中(裂片长/叶脉长在0.3～0.5)、深(裂片长/叶脉长大于0.5)3 个等级。 裂片大小分为宽裂片(裂片长/裂片宽小于1.4)和窄裂片(裂片长/裂片宽大于1.4)两个等级，其中窄裂片和深裂性状伴随出现。 据此，可组合出16 种不同的叶片形态类型，但是在实际观测过程中，没有发现倒卵形、浅裂、宽裂片类型和倒卵形、深裂、窄裂片类型，所以实际得到的有14 种叶片形态类型。 此分类标准可以更精确地对菊花叶片进行分类，且因本研究所选用的试验材料为中国传统大菊的杂交后代，没有经过人工选择，所以包括了更丰富的菊花叶片类型，最大程度保留了遗传多样性。 之后对供试群体继续栽培选育，观测花部特征和叶部特征之间关系，可以为育种过程中的早期选择提供一定依据。