浙江野生櫻花枝干及葉片形態(tài)變異分析

蔣冬月，沈 鑫，陳雅靜，鄒宜含，吳 帆，李因剛，柳新紅

（1.浙江省林業(yè)科學研究院，浙江 杭州 310023；2.中國科學院 植物研究所，北京 100093）

櫻花是薔薇科Rosaceae李亞科Prunoideae櫻屬Cerasus典型櫻亞屬植物（Subg.Cerasus）的泛稱。全世界約150種，分布于亞洲、歐洲、北美洲等北半球溫和地帶，主要種類分布在中國、日本和朝鮮［1］。中國有38種8變種［2］，其中：浙江省有10種，占全國資源的1/4［3］。櫻花Cerasus是浙江省早春開花植物之一，花期一般在2-5月，株型優(yōu)美，花型豐富，花色艷麗，有白色、粉色、玫紅色、深紅色等；花朵數(shù)量多，獨樹成景，是優(yōu)良的園林觀花喬木，具有較高的應(yīng)用價值。櫻花利用方面，中國尚處于較為落后的狀態(tài)。目前栽培的品種大多引自于日本，且品種相對單一，以染井吉野C.×yedoensis‘Someiyoshino’，關(guān)山C.serrulata‘Kanzan’和普賢象C.serrulata‘Albo-rosea’等幾個品種為主，多數(shù)品種適應(yīng)性較差。浙江省櫻花野生種類豐富，具有品種選育的基因資源優(yōu)勢；與栽培品種相比，由于長期適應(yīng)環(huán)境條件的變化以及不斷抵御生物和非生物脅迫，野生種在進化過程中形成并積累了豐富的遺傳變異和有益基因資源，在育種的目標性狀選擇等遺傳改良方面，具有十分重要的作用。然而，由于櫻花資源分布廣泛，花期相對集中且較短，僅依靠花部形態(tài)的收集很難在短時間內(nèi)完成野生櫻花種類的鑒定及優(yōu)株篩選。植物枝干及葉片形態(tài)的變異以其自身的遺傳為基礎(chǔ)，是種質(zhì)資源鑒定和篩選的重要依據(jù)。目前，關(guān)于櫻花的研究主要集中在繁殖技術(shù)［4-8］、 地理起源分布［9-11］、群落特征［12-17］、親緣關(guān)系［18-21］等方面，關(guān)于其枝干、葉片研究的相關(guān)報道僅見于葉部腺體［22］、表皮毛被［23］、花粉結(jié)構(gòu)［24］等微形態(tài)學的研究，缺乏對枝干、葉片形態(tài)變異全面系統(tǒng)的論述。因此，本研究以浙江省野生櫻花資源為試驗材料，通過對其枝干、葉片形態(tài)性狀進行調(diào)查和分析，以揭示浙江省野生櫻花種間及種內(nèi)枝干、葉片形態(tài)的變異大小和遺傳規(guī)律，為野生櫻花物種鑒定和品種培育提供有力證據(jù)，也為科學合理地保護和利用浙江省現(xiàn)有的野生櫻花資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省位于中國東部沿海，處于歐亞大陸與西北太平洋的過渡地帶。該地帶屬亞熱帶季風氣候區(qū)。四季分明，氣溫適中，年平均氣溫15.0～18.0℃；光照較多，年平均日照時數(shù)1 710～2 100 h。雨量豐沛，年平均降水量為 980～2 000 mm［25］。

1.2 試驗材料

根據(jù)浙江省野生櫻花的分布情況，在全省范圍內(nèi)設(shè)計調(diào)查點，于2015-2016年連續(xù)2 a深入分布地進行調(diào)查。最終確定以主要分布的6種，2變種為試驗材料，包括迎春櫻C.discoidea，浙閩櫻C.schneideriana，大葉早櫻C.subhirtella，山櫻花C.serrulata，毛葉山櫻花C.serrulatavar.pubescens，華中櫻C.conradinae，毛萼華中櫻C.conradinaevar.trichocalyx和尾葉櫻C.dielsiana，進行形態(tài)指標的調(diào)查與測量。

1.3 形態(tài)性狀測量方法

本研究選定了50個形態(tài)學性狀進行觀測，其中葉片及托葉性狀34個（表1，圖1），枝條的相關(guān)性狀16個（表2）。選取10～15株·種-1，取中部東西南北側(cè)枝條各3個·株-1，并隨機選擇50片成熟葉片進行性狀測量；顏色的測量依據(jù)英國園林園藝植物比色卡。

表1 葉片形態(tài)性狀及編碼Table 1 Morphological traits of leaf and code

1.4 數(shù)據(jù)分析

對數(shù)值性狀進行描述性統(tǒng)計，計算其變異系數(shù)VC=標準差/均值×100%，進行單因素方差分析；二元和多態(tài)性狀進行形態(tài)變異的頻數(shù)統(tǒng)計，計算遺傳多樣性指數(shù)H′，H′=-Σpilnpi，pi為某一性狀第i級內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比［26］；對變異較大的性狀進行主成分分析。本研究所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析均用SPSS 19.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 野生櫻花葉片、枝干數(shù)值性狀的變異分析

對野生櫻花葉片和枝干的18個數(shù)值型性狀進行單因素方差分析可知，株高在8個種（變種）間差異不顯著，枝下高在種間差異顯著（P＜0.05），其余16個性狀在種間差異均為極顯著（P＜0.01）。葉片和枝干數(shù)值型性狀在種間的變異系數(shù)為14.05%～64.15%，其中，葉長的種間變異系數(shù)最小，胸徑的最大。種間變異系數(shù)達30%以上的性狀有10個，包括葉片性狀5個，分別是托葉長、葉面積、托葉寬、葉柄/葉片長、葉柄長；其中，葉柄長的種間變異系數(shù)最大，達53.07%。除分枝角度外，其余枝干性狀的變異系數(shù)均大于30%，說明枝干性狀在不同種間變異幅度大。

表2 枝條性狀及編碼Table 2 Cerasus branch traits and code

櫻花各性狀的種內(nèi)變異大部分均小于種間變異，如葉長、葉寬、葉柄長、葉面積、托葉長等。不同櫻花葉長、葉面積的種內(nèi)變異系數(shù)為9.15%～13.99%和18.09%～30.10%，其中，毛葉山櫻花的葉長、葉面積變異最豐富，葉長為71.51～150.48 mm，葉面積為1 424.70～8 279.84 mm2；而浙閩櫻的葉長和葉面積的數(shù)值較為集中。葉寬和東西冠幅的種內(nèi)變異系數(shù)分別為12.62%～16.76%和7.14%～46.15%，華中櫻葉寬變異程度較大，毛萼華中櫻葉寬的離散程度最小。葉柄長的種內(nèi)變異系數(shù)為20.20%～41.30%，其中大葉早櫻的變異系數(shù)最大，山櫻花的變異系數(shù)最小，還不足其種間變異系數(shù)的1/2。葉柄/葉片長、葉頂端夾角、胸徑的種內(nèi)變異系數(shù)分別為20.80%～45.99%，10.42%～15.88%和4.52%～51.88%，這3個性狀中均為毛萼華中櫻的變異系數(shù)最小，大葉早櫻的種內(nèi)變異系數(shù)最大。托葉長的種內(nèi)變異系數(shù)以毛萼華中櫻最小，僅為15.65%，毛葉山櫻花最大，為28%；南北冠幅的種內(nèi)變異系數(shù)以尾葉櫻最大，毛萼華中櫻最小。另外，在葉形指數(shù)、葉緣齒數(shù)、葉基部夾角、托葉寬、株高等性狀中發(fā)現(xiàn)少數(shù)種的種內(nèi)變異系數(shù)大于種間變異系數(shù)的現(xiàn)象，主要存在于華中櫻和大葉早櫻中。

圖1 櫻花葉片結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Leaf of Cerasus

2.2 野生櫻花葉片、枝干數(shù)值性狀的相關(guān)性分析

野生櫻花數(shù)值型性狀間的相關(guān)系數(shù)達顯著水平（P＜0.05）的有70個，包含極顯著水平（P＜0.01）的有50個。其中，葉柄長與葉柄/葉片長的相關(guān)系數(shù)最大，為0.97，其次是葉寬與葉面積的相關(guān)性較高，達0.95。托葉寬與株高不相關(guān)，葉寬與葉形指數(shù)、葉形指數(shù)與葉基部夾角均表現(xiàn)出較高的負相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.71和-0.70。由此可見，大部分數(shù)值性狀間彼此相關(guān)，甚至高度相關(guān)，包含了大量的重復信息，所以可以進行主成分分析。

2.3 野生櫻花枝干、葉片二元及多態(tài)性狀的多樣性分析

對野生櫻花葉片和枝干的32個二元及多態(tài)性狀進行頻率分布和多樣性統(tǒng)計，各性狀在櫻花中的平均多樣性指數(shù)為0.03～1.28（表3～4）。其中，小枝毛被和托葉齒端腺體的平均多樣性指數(shù)最低，幼葉反面顏色最高。6種櫻花在野外的長勢均中等，樹干皮孔均橫列；成熟葉片正面為深綠色，葉柄上部均有盤狀腺體；托葉綠色、羽裂，齒端均有腺體。毛萼華中櫻小枝上有中度的毛被，其余種小枝上均無毛，且該變種多態(tài)性狀在變種內(nèi)穩(wěn)定，故表4中不再單獨列出。華中櫻葉片邊緣單鋸齒分布頻率為60%，其余種葉片邊緣均為重鋸齒。大葉早櫻葉片齒端無腺體，其他均有。在這些性狀中，葉形、幼葉顏色、成葉反面顏色、嫩枝顏色、小枝顏色和老枝顏色7個性狀在櫻花中平均多樣性指數(shù)均在0.95以上，說明這些性狀在各種內(nèi)多樣性豐富。

2.4 櫻花枝干及葉片性狀的主成分分析

將櫻花18個數(shù)值型性狀和7個遺傳多樣性指數(shù)較高的多態(tài)性狀轉(zhuǎn)化為25個主成分進行分析。結(jié)果顯示：第1主成分的特征值為6.18，方差貢獻率為24.71%，代表了櫻花枝干、葉片性狀信息的24.71%，是最重要的主成分；其中，葉寬、葉長、葉面積、葉柄長、托葉長寬、葉柄/葉片長、葉片最寬處距葉尖距離和葉基部夾角在第1主成分上具有較高載荷，均在0.50以上，說明第1主成分基本反映了這些指標的信息。冠幅、胸徑、分枝角度、株高和枝下高在第2主成分具有較高載荷；葉形指數(shù)在第3主成分上載荷最高，為0.67，其次是老枝顏色；葉柄/葉片長、幼葉正反面顏色在第4主成分上載荷較高；前4個主成分的累積貢獻率為54.87%。第5主成分與嫩枝顏色、幼葉顏色（正）、葉形相關(guān)性較高，第6主成分與葉形、成葉顏色（反）相關(guān)性較高，第7主成分與成葉顏色（反）、葉緣齒數(shù)的相關(guān)系數(shù)均在0.4以上，第8主成分與枝下高的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)為0.49。前8個主成分的累積方差貢獻率為76.85%，已經(jīng)將櫻花枝干和葉片性狀70%以上的信息反映出來；因此，可以提取前8個主成分作為野生櫻花枝干和葉片形態(tài)性狀評價的綜合指標（表5）。

表3 華中櫻二元及多態(tài)性狀的頻率分布Table 3 Frequence distribution of traits Cerasus conradinae

表4 野生櫻花二元及多態(tài)性狀的多樣性Table 4 Diversity index of Cerasus traits

第1主成分反映了葉片的主要性狀，第2主成分反映了枝干的主要性狀，前2個主成分在8個主成分中所占的比例最大；以第1主成分值為橫坐標，第2主成分值為縱坐標，對櫻花種質(zhì)資源進行聚類。由圖2可知：91份野生櫻花單株可分為5大類，第Ⅰ類為大葉早櫻類；第Ⅱ類為華中櫻類，其變種毛萼華中櫻聚在一起；第Ⅲ類為迎春櫻類，第Ⅳ類主要為尾葉櫻類；第Ⅴ類為山櫻花類，其變種毛葉山櫻花聚在一起。其中，浙閩櫻并沒有成為獨立的一類，而是位于尾葉櫻和毛葉山櫻花的中間。此結(jié)果說明：通過前2個主成分可將5類櫻花大體區(qū)分出來，但僅依靠枝干和葉片的性狀差異，無法將浙閩櫻從其他野生櫻花中區(qū)分出來；若要進一步分類，還需加入更多其他性狀。

3 結(jié)論與討論

形態(tài)性狀是指那些肉眼可以觀察或儀器可以直接測量的植物表觀特征，如枝干不同時期的顏色、有無被毛，葉片的長寬、面積、鋸齒數(shù)、齒端腺體，托葉的形狀、長寬、有無腺體等；具有簡單、便于識別、快速等特點。形態(tài)性狀研究是探討植物遺傳變異和多樣性最直接、最基礎(chǔ)的方法［27-28］，是在短期內(nèi)對種質(zhì)資源變異進行評價的重要手段；同時也是大多數(shù)植物種質(zhì)鑒定的基礎(chǔ)［29］。作為中國主要分布的觀花喬木，櫻花分布廣泛，花期相對集中且較短，僅依靠花部形態(tài)的收集很難在短時間內(nèi)完成野生櫻花種類的鑒定及優(yōu)良單株的篩選；而葉片和枝干作為櫻花重要的同化器官，其形態(tài)特征直接影響到植物的基本行為和功能［30］，其性狀具有一定的觀賞特性，且性狀穩(wěn)定、持續(xù)時間長，便于觀測［31］；因此，櫻花枝干和葉片性狀的研究在櫻花初期研究中具有重要的意義。本研究選取了櫻花枝干和葉片的50個形態(tài)學性狀，數(shù)值型性狀18個，除株高外，其余17個性狀在種間差異顯著，其中16個極為顯著。這些性狀在不同種間的變異系數(shù)為14.05%～64.15%。變異系數(shù)表示性狀離散程度，可在消除量綱的情況下間接反映不同個體或群體在不同性狀上的變異程度，變異系數(shù)越大，則性狀值離散程度越大［32］。葉片性狀中托葉長、葉面積、托葉寬、葉柄/葉片長、葉柄長的種間變異系數(shù)均大于30%；枝干性狀中除分枝角度外，其余性狀的變異系數(shù)均大于30%；說明這些性狀在不同種間變異幅度較大，性狀多樣性豐富。另外，各種內(nèi)個體之間也存在著各種形態(tài)變異。研究發(fā)現(xiàn)：櫻花各性狀的種內(nèi)變異大部分均小于種間變異，這與紅櫸Zelkova schneideriana［33］， 印楝屬Azadirachta［34］， 杜鵑紅山茶Camellia azalea［27］， 云南櫻花Cerasus yunnannensis［35］等植物的研究結(jié)果一致。同時，對野生櫻花葉片和枝干的32個二元及多態(tài)性狀進行頻率分布和多樣性統(tǒng)計表明，葉形、幼葉顏色、成葉反面顏色、嫩枝顏色、小枝顏色和老枝顏色7個性狀在櫻花中平均多樣性指數(shù)均在0.95以上，說明這些性狀在各種內(nèi)多樣性豐富，有較大的改良潛力，可為

優(yōu)良種質(zhì)資源的篩選提供依據(jù)。

表5 櫻花枝干及葉片性狀的主成分的貢獻率和因子載荷矩陣Table 5 Contributive percentage and factor loading matrix from principal components analysis

植物在適應(yīng)和演化過程中，不同形態(tài)性狀之間往往通過相互調(diào)節(jié)達到適應(yīng)環(huán)境的目的。一個形態(tài)性狀的改變亦直接或者間接導致其他性狀的變化，因此，形態(tài)性狀間相關(guān)性是植物資源研究和利用的重要內(nèi)容［28，36］。本研究發(fā)現(xiàn)：櫻花各數(shù)值性狀間彼此相關(guān)，達到顯著水平的有70個，包含了大量的重復信息，可利用主成分分析對眾多的性狀進行降維，從而使分析結(jié)果更加準確和客觀。通過主成分分析方法將18個數(shù)值型性狀和7個多樣性指數(shù)較高的多態(tài)性狀轉(zhuǎn)化為25個主成分，最終綜合為8個主成分，綜合了枝干和葉片的主要特性，其代表性達76.85%。根據(jù)前2個主成分值，對91份櫻花種質(zhì)資源進行聚類，可分為大葉早櫻類、華中櫻類、迎春櫻類、尾葉櫻、山櫻花類，說明主成分分析的方法在這5種櫻花枝干、葉片的性狀分析中是可行的，可將大量的性狀綜合為8個主成分，以便在今后的選育過程中利用少數(shù)幾個因子進行優(yōu)良單株篩選，從而提高選擇效率。

櫻花種質(zhì)資源枝干、葉片形態(tài)特征和多樣性的研究說明浙江省主要分布的8種（變種）櫻花枝干、葉片性狀差異顯著，變異幅度大，多樣性豐富，說明這些性狀在遺傳改良中具有較大的潛力，可為今后櫻花物種鑒定、優(yōu)良親本選擇、遺傳改良及新品種選育提供有效的信息。

圖2 基于形態(tài)性狀的櫻花種質(zhì)資源主成分分析Figure 2 Principal component analysis of Cerasus based on morphologic traits