楸樹不同單株花性狀變異分析

麻文俊 楊桂娟 王軍輝* 趙 鯤

(1.中國林業科學研究院林業研究所，林木遺傳育種國家重點實驗室，國家林業和草原局林木培育重點實驗室，楸樹國家創新聯盟，北京 100091； 2.洛陽農林科學院，洛陽 471002)

園林觀賞新品種選育是楸樹的重要育種方向之一。目前進行林木新品種選育最常用的兩種方法為：一是通過自然選優，可以對現有資源中的優良觀賞品種進行選擇、馴化，如紅花槭(Acerrubrum)、地涌金蓮(Musellalasiocarpa)、海棠(Malusspectabilis)、櫻桃(Cerasuspseudocerasus)[1～4]等獲得了大量觀賞新品種；二是雜交育種[5]，可以獲得理想的花色、株型等，目前已在紫斑牡丹(Paeoniarockiivar.papaveracea)、月季(Rosachinensis)、菊花(Dendranthemamorifolium)、百合(Liliumbrowniivar.viridulum)、紫薇(LagerstroemiaindicaL.)、玉蘭(Magnoliadenudata)[6～12]等草本和木本觀花植物研究中取得了較好的效果。

楸樹(Catalpabungei)為紫葳科(Bignoniaceae)梓樹屬(CatalpaScop.)，原產我國，分布范圍廣，在河南、安徽、江蘇、山西、陜西、山東、河北、北京等省市均有分布；至今已有2 600多年的栽培歷史[13]，是我國著名的優質珍貴用材和園林觀賞樹種，目前在園林景觀方面已有大量的應用。但是，相對于其他樹種，楸樹觀賞品種的培育嚴重滯后，還未見觀賞品種培育的相關報道。楸樹為木本喬木樹種，其培育周期較長，選育較為困難，作為重要觀賞性狀的花色相關研究，例如花色的分布、花色遺傳等方面，未見相關的研究報道。本文在進行連年花性狀觀測的基礎上，對不同單株的9個質量與數量性狀進行調查測定和統計分析，旨在揭示花表型性狀在楸樹種內存在的巨大變異，為新花色育種和優良觀花新品種的選育及新品種的鑒定和保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料和試驗地概況

本研究所利用的楸樹優樹無性系是1985～1990年在全國收集的楸樹優良單株無性系化后，于1993年在河南省洛陽市偃師市虎頭山森林公園(112°26′E，34°27′N)造林，試驗設計為2株小區，4次重復。由于保存不善，目前只剩1個重復，經疏伐后每個無性系只保留了1株。該地氣候屬于典型的暖溫帶大陸性季風氣候，海拔200 m，年均氣溫15℃，極端最高氣溫40.4℃，極端最低氣溫-20.2℃，年降雨量630 mm，土壤為潮土。

1.2 方法

調查的質量性狀包括：花色、雄蕊育性；數量性狀包括：花枝長度、花序長度、單花枝花數、相對花粉量、花上唇長度、下唇長度和花冠直徑(其長度與直徑均精確到0.1 cm)。

2008年5月3日，當開花達到盛花期時，在試驗林中對27株開花植株分別從樹冠各部位均勻選擇25個花枝(由于每個單株開花數量不同，所以部分單株調查數量較少)，每個花枝隨機調查2朵花。首先，數單花枝花數；然后，判斷雄蕊育性，判斷方法為肉眼觀察成熟開裂的花藥中是否有花粉，無花粉為敗育，有花粉為可育，按花粉量多少分為多和少兩級；最后，用直尺測定花枝長度、花序長度、花上唇長度、下唇長度和花冠直徑，精確到0.1 cm。

2010年5月7日在試驗林中選擇花量較大的16個單株進行花色測定。在每個單株樹冠中上部朝南方向隨機選取不同枝條上的30朵花，用CR-400型色差計(柯尼卡美能達)測定花的L*、a*、b*值，L*為亮度值，色相值分別是a*值和b*值。L*數值范圍為0～100，隨數值升高，表示明度由暗變亮逐漸增加；色相a*值的范圍為-60～60，隨數值的增大綠色減退，紅色增強；色相b*值的變化范圍為-60～60，隨數值的增大藍色減退，黃色增強；通過公式C*=(a*2+b*2)1/2和h=arctan(b*/a*)計算出彩度C*和色相角h。彩度C*是表述色彩的鮮艷程度的變量。從a*軸正半軸開始，色相角順時針旋轉，依次經過軸的負半軸、a*軸的負半軸、b*軸的正半軸，再回到a*軸的正半軸，相對應的顏色變化是從紅色到藍色，經過綠色、黃色，最終回到紅色。測定部位為花冠上唇外部，每朵花測定3次，取其平均值。

1.3 數據統計分析

表型變異系數(CV)：表型性狀間的離散程度。

(1)

以單花平均值進行單因素方差分析，用Excel 2007和SPSS 16.0進行數據整理、方差分析[15]和圖表制作。

L*、a*、b*值標準化處理：對L*、a*、b*值分別進行標準化處理。

(2)

式中：xi為第i株測定值，xmin為最小值，xmax為最大值。

聚類分析：數據標準化后，運用MultiExperiment Viewer(MEV4.6.0)軟件，以Hierarchical clustering方法進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 楸樹花期和花特征

楸樹優樹無性系試驗林于2002年開花，至2005年后開花趨于穩定，經連續6年的觀察發現不同單株的花色、育性差異較大，且單株花期可以持續10 d以上，花期為4月下旬至5月上旬。在3片試驗林中開花最早的無性系與開花最晚的無性系開花時間相差可達5 d。因此，依據不同無性系的遺傳差異和水肥調控措施，通過多無性系搭配的方式可以使群體花期達到15 d左右。

楸樹花冠為鐘狀，檐部5裂，上唇3瓣，下唇2瓣，唇瓣為白色，唇瓣上密布紫紅色斑點，不同單株花冠紫色斑點分布數量和密度不同，導致花顏色差異分化(由白色至紅色)。不同單株花大小、花序長短和單株開花量，均有較大差異，并且由于葉柄長度、花枝長度在基因型間具有較大差異，致使不同單株表現出顯花和隱花的特征(如圖1所示)。

2.2 不同單株雄性育性差異

對試驗林中開花的27個單株進行雄蕊的育性和花粉量調查(見表1所示)。楸樹為二強雄蕊，其中12個單株的雄蕊是可育的，其余15個敗育。觀察每個單株的花粉量，在現場比較，可以依據花粉量的多少將12個可育單株劃分為多和少兩類，其中5-8、6-7、6-8、7-8、7-9、7-10、8-1和8-7的花粉量較多，而其他4個單株的花粉量較少。

表1 不同單株育性調查

注：“—”表示沒有花粉，花粉量是經過對比判斷的相對量。

Notes:“—” means without pollen,pollen quantity is relative quantity of different individuals.

圖1 不同單株花色及開花量的多樣性 A.單花顏色對比；B.花序顏色對比；C.單株花色對比Fig.1 Flower color and number of flower diversities of different individuals A.Single flower colour contrastion; B.Inflorescence colour contrastion; C.Individual tree flower colour contrastion

2.3 不同單株花序長度、花枝長度和單花序花數差異

花枝長度(F=12.447**)、花序長度(F=9.068**)，以及單花枝花數(F=19.214**)在單株間均存在極顯著差異(詳見表2)。不同單株花枝長度平均為13.6 cm，變幅為10.7～16.4 cm；花序長度平均為7.7 cm，變幅為5.6～9.6 cm，最長的是6-8，最短的是1-1；單花枝花數最多的是6-2和8-12，為13朵。單花枝花數的變異程度最高，表型變異系數為36.7%，花枝長度和花序長度的表型變異系數分別為12.8%和12.5%。

2.4 花大小變異

楸樹花上唇長度大于下唇。以上唇長度、下唇長度和花冠直徑來表征花的大小，對27個開花單株的測定結果見表3。不同單株的花上唇長度(F=39.534**)、下唇長度(F=66.324**)和花冠直徑(F=49.329**)差異極顯著。上唇長度和下唇長度平均值分別為4.6和3.7 cm，變幅分別為3.8～5.2 cm和3.0～4.3 cm；花冠直徑平均為4.6 cm，變幅為3.9～5.4 cm。由表3可知，花較大的基因型為6-8、8-7、8-11、8-12、8-13，較小的則是9-13、10-3、10-4、10-5。

表2 不同單株花枝長度、花序長度和單花枝花數差異

Table 2 Length of flowering branch and floral, flower number of single flowering branch of different individuals

單株Individuals花枝長度Length of flowering branch(cm)花序長度Length of floral(cm)單花枝花數Flower number of single flowering branch1-111.4±0.386ab5.6±0.264a6±0.417abcdef3-211.3±0.569ab5.8±0.300a6±0.653abc3-313.5±0.347efgh8.2±0.252defg12±0.657defg3-413.3±0.333defg7.1±0.277bc7±0.370abcde5-816.2±0.733lm8.7±0.391fgh6±0.497g6-215.1±0.687hijklm8.8±0.309fgh13±0.830i6-313.5±0.397efg7.4±0.292bcd10±0.564h6-715.4±0.380ijklm8.1±0.306cdefg9±0.480g6-814.4±0.409fghijk9.6±0.418h8±0.402efg7-814.3±0.316fghij7.6±0.250bcde9±0.416g7-911.9±0.531abcd7.0±0.452b3±0.449abcd7-1011.2±0.774ab7.0±0.455bc9±0.744abcdef7-1312.5±0.503bcde7.0±0.310bc6±0.503bcdef7-1414.4±0.281fghij8.5±0.332efg9±0.437abcdef8-113.8±0.430efghi9.0±0.313gh11±0.599j8-413.0±0.331cdef7.2±0.270bcd5±0.347abc8-511.6±0.329abc7.2±0.246bcd6±0.353abcdef8-711.7±0.301abc6.9±0.251b6±0.373a8-1114.8±0.454ghijkl7.4±0.282bcd9±0.425abc8-1216.1±0.422klm8.7±0.320efgh13±0.438cdef8-1316.4±0.779m8.6±0.330efgh4±0.401abcdef8-1415.4±0.609ijklm7.2±0.241bcd8±0.262abc9-314.7±0.407ghijkl8.8±0.297fgh8±0.245cdef9-1315.7±0.384jklm8.5±0.235efgh9±0.340fg10-314.6±0.442fghijkl7.8±0.264bcdef12±0.472abcdef10-411.7±0.382abc7.9±0.269bcdef6±0.378abc10-510.7±0.294a6.9±0.182b2±0.433ab均值Mean13.67.78最大值Max16.49.613最小值Min10.75.62表型變異系數CV(%)12.812.536.7F12.447**9.068**19.214**

注：**表示不同單株在0.01水平上存在顯著差異，小寫字母表示多重比較結果，下同。

Notes:**means the significant difference between different individuals underP<0.01,lowercase means the result of multiple comparison, the same as below.

圖2 基于CR-400型數據的花色二維、三維分布圖Fig.2 The 2D and 3D distribution plots of 16 varieties based on the CIELAB data

圖3 彩度C*和亮度L*之間的關系Fig.3 The relationship between C* and L* values in flowers

圖4 花色聚類分析Fig.4 The result of cluster analysis of flower color

2.5 不同單株花色變異及聚類分析

16個單株花色的二維和三維分布如圖2所示。L*(F=137.911**)、a*(F=95.515**)、b*(F=37.894**)、C*(F=98.861**)和h(F=10.442**)值在單株間均存在極顯著差異，色相a*、b*以及彩度C*的表型變異系數分別為35.1%、52.5%和29.8%，由此說明不同單株的花色差異極顯著。

對花的彩度C*和亮度L*進行相關性分析(如圖3所示)。彩度C*和亮度L*呈負相關關系，亮度L*越大，彩度C*越小，表明楸樹的花瓣越亮，則花瓣所吸收的光線越少。

以L*、a*、b*值對不同單株進行聚類分析(如圖4所示)。采用歐氏距離為15時可將16個單株聚為3類：第一類花為紅色系，包括7-10、8-6、8-11、8-12、8-13和11-1；第二類花為粉紅色系，包括5-11、6-7、6-8、7-13、8-5、8-14、9-14和10-3；第三類花為白色系，包括5-6和5-8。

3 討論

種質資源是進行優良觀賞新品種培育的基礎。只有對資源具有深入、全面的了解，才能針對培育目標，通過天然選優或雜交育種等方法獲得理想的觀賞品種。因此，各個國家均十分重視觀賞植物種質資源的收集、研究工作，并取得了豐富的成果。張艷麗等[16]研究表明，滇牡丹(PaeoniadelavayiFranch)花色豐富，呈白色至暗紅色的連續變異；利用英國皇家園藝學會比色卡(RHSCC)和分光色差儀測定法，將36份觀賞向日葵(HelianthusannuusL.)的花色分為兩大類，即黃色系和紅色系[17]；而夏蠟梅(CalycanthuschinensisCheng et S.Y.Chang)花色(外被片顏色)表現為白、淺粉、粉、粉紅4種類型[18]。楸樹為落葉喬木，經選優或雜交育種所得優良品種栽植后一般4～6年即可開花。由于以往研究重點更關注于楸樹優良用材新品種的選育，而對觀賞新品種的研究較少，基礎相對薄弱，因此，開展楸樹種內花性狀和花期物候的變異研究顯得尤為重要。對楸樹優良單株的花性狀研究表明，27個基因型的花枝長度、花序長度、花大小差異極顯著，16個單株的花色也具有明顯的差別。依據亮度值(L*)、色相值(a*和b*)進行聚類分析，當歐氏距離為15時可將16個單株聚為3類，紅色系、粉紅色系和白色系。這一結果與我們連續6年的觀察結果相一致。這一研究結果與分生態區試驗相結合，成功選育出3個優良觀花新品種，分別是紅色系的“朝霞”(8-11)、粉紅色系的“彩云”(6-7)和白色系的“云朵”(5-8)，并已被認定為國家級林木良種。

目前傳統育種仍是花卉育種工作的主要方法，同時花卉分子育種又為培育花卉新品種開辟了新途徑[19]。通過常規選育、輻射誘變和雜交育種方法獲得了大量的優異新品種。楊彥伶等[20]通過對不同無性系花性狀、生長性狀與抗病害能力等的綜合評判，選擇出具有園林觀賞價值的8個野生紫薇(LagerstroemiaindicaL.)優良無性系；朱更瑞等[21]通過觀賞桃(AmygdaluspersicaLinn.)自交育成花果兩用、高抗南方根接線蟲的觀賞桃新品種；陳發棣等[22]通過對自交種子進行輻射誘變，選育出了地被菊新品種；姜長陽等[23]用γ射線輻射處理玉蘭愈傷組織，選育出具有一年兩次開花、生長速度快而旺盛、抗逆性強等多種優良性狀的玉蘭新品系；周厚高等[10]利用新鐵炮百合品種“雷山”和麝香百合品種“白森林”為親本，通過雜交和回交，采用系統選育的方法育成切花品質優良的新品種“白玉”。而在已有的以生長和材性為目標性狀的楸樹雜交育種研究取得了較好的成果[24]；在楸樹觀賞新品種選育方面，由于不同單株花性狀差異極顯著，可以采用雜交育種方法進行觀賞型新品種選育，從而依據花顏色、花枝長度、花序長度、單花枝花數量，以及雄蕊育性，按照選育目標，進行科學合理的交配設計。

4 結論

(1)楸樹為二強雄蕊，分為雄性可育和敗育，27個單株中有12個為雄性可育，且花粉量差異較大。花冠檐部5裂，上唇3瓣，下唇2瓣，上唇瓣長度大于下唇瓣。單株間花枝長度、花序長度、單花枝花數、花上唇瓣長度、花下唇瓣長度和花冠直徑均存在極顯著差異，變幅分別10.7～16.4 cm、5.6～9.6 cm、2～13朵、3.8～5.2 cm、3.0～4.3 cm、3.9～5.4 cm，表型變異系數分別為12.8%、12.5%、36.7%、7.5%、9.1%和9.2%。

(2)楸樹16個單株間花色差異極顯著，以L*、a*、b*值度量花色，將16個單株聚為3類，紅色系、粉紅色系和白色系。