我国野牡丹属植物的表型多样性研究

戴小红等

摘 要 对国产野牡丹属6种16个居群的22个表型性状进行观测，通过方差分析、聚类分析、因子分析对其表型变异、种间亲缘关系等进行探讨，以揭示野牡丹属植物的表型多样性，并为其提供分类依据。结果表明：野牡丹属种间与种内居群间在数量性状上均存在丰富的表型变异，15个数量性状的变异系数为6.77%～34.50%，其中花序花朵数、小苞片宽、叶柄长、花梗长的变异较大，果径、花径、花萼长、花瓣长和叶长宽比的变异较小；质量性状的多样性主要存在于种间，种内居群间在叶柄颜色、花色上存在差异。表型聚类结果显示当平均距离为34时，16个居群可分为3类，展毛野牡丹、多花野牡丹、细叶野牡丹和野牡丹为1类，毛菍、地菍各为1类，同种下各居群没有严格依地理距离聚类。因子分析结果显示，花部形态变异是野牡丹属植物表型分化的主要因素，基出脉、花梗长、茎被毛的变异对其表型分化的作用较小，在进行表型分类时可避免次要性状的干扰。

关键词 野牡丹属；表型多样性；聚类分析；因子分析

中图分类号 Q944 文献标识码 A

Abstract In order to reveal the phenotypic diversity of Melastoma L. and provide classification evidence， twenty-two phenotypic traits of six species and sixteen populations of Melastoma L. in China were investigated. Phenotypic variations between and within species as well as phylogenetic relationship between species were discussed by using variance analysis， cluster analysis and factor analysis. The results showed that there were rich phenotypic variations between and within species of Melastoma L. in quantitative traits. The variation coefficients of 15 quantitative traits ranged from 6.77% to 34.50%. Among these traits， flower number of inflorescence， bractlet width， petiole length and stalk length varied more while fruit diameter， flower diameter， calyx length， petal length and length-width ratio of leaf varied less. The diversity of qualitative traits mainly existed between species， and colors of petiole and flower also varied in populations. According to cluster analysis by twenty-two phenotypic traits， 16 populations of Melstoma L. could be roughly divided into three groups when the average distance was about 34. Besides M. normale， M. affine， M. intermedium and M. candidum gathering in one group， M. sanguineum and M. dodecandrum was divided into two groups respectively. Populations within species did not clustered strictly by geographical distances. Factor analysis indicated that floral morphological variations might be the main causes of phenotypic differentiation in Melastoma L.， on which the variations of basal vein， stalk length and pubescence on stem effected lightly. Therefore， some secondary phenotypic traits of Melastoma L. could be paid little attention in morphological classification.

Key words Melastoma； Phenotypic diversity； Cluster analysis； Factor analysis

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.026

表型是基因表达与所处环境交互作用的结果，是生物遗传受制于生态环境条件的遗传表征，表型特征的不同在很大程度上能够反映同种植物之间的相似性以及不同种植物之间的本质差异，表型多样性是基因组DNA编码序列与其调控序列多样性的具体表现，因此是遗传多样性研究最基本的组成部分[1-2]。与分子标记的遗传多样性研究相比，表型是对完整基因系统或基因型的全面度量，利用表型多样性差异研究群体的遗传多样性具有简便易行、快速经济的优点[3-4]。作为种质资源研究的重要组成部分，表型多样性研究对种质资源的鉴定与保存、遗传改良及开发利用均具有重要意义。

野牡丹属（Melastoma L.）是一个典型的热带亚洲至热带澳洲分布式样的属，全属约100种，分布中心在东南亚，中国有9种1变种，多见于长江流域以南各省（区），以广东、广西种数最多[5-6]。该属植物富含鞣质、酚类和黄酮类成分，具有自由基清除、抗氧化、抗癌等多种生物活性[7-10]，药用价值较高。野牡丹属也是野牡丹科（Melastomataceae）中最具观赏价值的一个属[11]，属下植物类型多样、花色艳丽、花期长，是一类颇具华南乡土特色的园林植物，部分种的果实还可供提取色素[12]或食用，具备良好的开发利用前景。

近年来，不少学者针对野牡丹属植物开展了资源调查[11，13-15]、栽培繁殖[16-19]、传粉生物学[20-21]、生理特性[22-23]等一系列研究。长期以来，学术界对于该属植物的分类存在一定争议，部分学者从种子、花粉、叶片的表面特征与显微形态[24-26]等方面对野牡丹属植物进行了考察，为该属植物的分类提供了一定的科学依据。但迄今为止还未见有关该属植物表型多样性的报道。本研究以6种16个居群的野牡丹属植物为对象开展表型多样性调查与分析，了解其表型变异特征，旨在为该属植物的分类、资源的保存与利用等提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为6种野牡丹属植物，共16个居群，材料及来源见表1。

1.2 方法

1.2.1 数量性状观测 调查各居群成熟期植株的叶长、叶宽、叶长宽比、叶柄长、花序花朵数、花梗长、小苞片长、小苞片宽、花萼长、萼裂片长、萼裂片宽、花径、花瓣长、花瓣宽、果径等15个数量性状。根据群体大小，每个居群随机挑选3～10个个体进行测定，每个个体选取5片成熟叶，用游标卡尺测量叶长、叶宽、叶柄长，计算叶长宽比；每个居群取5～10个花序统计花朵数，并随机选择10～20朵花测量花梗长、小苞片长、小苞片宽、花萼长、萼裂片长、萼裂片宽、花径、花瓣长和花瓣宽；每个居群选取5～30个果实进行果径测量。

1.2.2 质量性状观测 选取7个质量性状进行观测，为便于数量化和统计分析，对各质量性状进行赋值（表2）。

1.3 统计分析

以上述野牡丹属植物表型性状的观测结果为原始数据，在SAS9.3软件中进行方差分析、相关分析、聚类分析和因子分析。其中方差分析采用GLM程序，以变异系数（CV）表示性状的离散程度；计算数量性状间的Pearson相关系数，考察其相关关系；采用类平均法（Average method）进行聚类分析，建立聚类树状图；因子分析采用的提取方法为主成分分析法（Principal component analysis），旋转方法为最大方差法（VARIMAX），以确定造成表型差异的主要性状因子。

2 结果与分析

2.1 数量性状多样性

对野牡丹属植物的15个数量性状进行方差分析的结果显示（表3），野牡丹属植物种间和部分种内居群间在叶长、叶宽、叶长宽比、叶柄长、花序花朵数、小苞片长、小苞片宽、花梗长、花萼长、萼裂片长、萼裂片宽、花径、花瓣长、花瓣宽、果径这15个主要数量性状上存在极显著差异，表现出丰富的表型多样性。15个数量性状中，极差较大的性状包括叶长、花径、叶宽；极差较小的性状为叶长宽比、萼裂片宽。极差在一定程度上反映了数量性状的离散程度，但易受极端值的影响。从变异系数来看，15个数量性状的变异系数幅度为6.77%～34.50%，各数量性状按其变异系数由大到小为：花序花朵数>小苞片宽>叶柄长>花梗长>小苞片长>叶宽>萼裂片宽>叶长>花瓣宽>萼裂片长>叶长宽比>花瓣长>花萼长>花径>果径，可见各性状的离散程度不同，变异系数越大，数据的离散程度越高，性状越不稳定。由此可知，野牡丹属植物的花序花朵数、小苞片宽、叶柄长、花梗长的变异幅度较大，多样性较丰富，果径、花径、花萼长、花瓣长、叶长宽比的变异幅度较小，性状较稳定。

2.2 数量性状间的相关性分析

对15个数量性状进行相关分析的结果见表4。在叶部性状中，叶长与叶宽、叶长与叶柄长、叶宽与叶柄长均为极显著正相关，叶宽与叶长宽比为极显著负相关。叶长、叶宽、叶柄长与除花朵数、花梗长外的其余花部性状以及果径间均具有极显著正相关关系，可见叶片性状对花、果性状具有促进作用。叶长宽比与花朵数为显著正相关，与小苞片长、宽则为显著负相关。在花部性状中，小苞片长、小苞片宽、花萼长、萼裂片长、萼裂片宽、花径、花瓣长、花瓣宽相互间均为极显著正相关。花梗长与叶长、萼裂片长、花径、花瓣长宽等为极显著或显著正相关；花梗长还与花朵数具有显著正相关关系，长花梗不仅有利于较多花朵的聚生，也便于花朵为适应传粉而进行方向调整。除花朵数、花梗长以外，其余花部性状与果径间也为极显著正相关。

2.3 质量性状多样性

野牡丹属植物质量性状的多样性主要存在于种间。以株型来说，除地菍和细叶野牡丹为低矮亚灌木外，其余种均为株高≥50 cm的直立灌木。从被毛情况来看，地菍的茎常无毛，细叶野牡丹、多花野牡丹、展毛野牡丹、野牡丹的茎上多被糙伏毛或短柔毛，毛菍的茎上则具有开展的长粗毛。从叶片特征来看，地菍叶片的主脉两侧各有1～2条侧脉，叶基广楔形，顶端急尖或广急尖；野牡丹叶片的主脉两侧各有2～3条侧脉，叶基圆形至心形，顶端急尖；其余种的叶片主脉两侧各有2条侧脉，叶基多近圆形，叶尖渐尖或长渐尖。种内居群间在株型、茎被毛、基出脉、叶尖和叶基形态上的差异不大。叶柄颜色和花色性状在野牡丹属植物种间和部分种内居群间均有一定差异，如地菍的叶柄颜色为红褐色，花色为粉红色；细叶野牡丹的叶柄颜色有深浅之分，花色淡紫或粉红；展毛野牡丹和多花野牡丹的叶柄为绿色、浅褐色或深褐色，前者花色多为紫红色，后者花色为粉红色或淡紫色；野牡丹的叶柄多为浅褐色，花色淡紫至紫红；毛菍的叶柄颜色也为浅褐色，花色淡紫。种内不同居群间存在的差异表明野牡丹属植物的叶柄颜色和花色性状可能受居群环境因子的影响较大。

2.4 表型聚类分析

采用类平均法得到野牡丹属不同居群的表型聚类结果（图1），当聚类之间的平均距离为34时，可将16个居群大致分为3类，第1类为地菍，由P9、P10这2个居群聚为一类，为贴地匍匐生长的低矮亚灌木，叶、花、果明显较小，与其它种的亲缘关系可能较远；第2类为毛菍，由P16居群自成一类，植株高大，被开展的长粗毛，叶、花、果均较大，与其它种有明显区别；第3类包含了展毛野牡丹、多花野牡丹、细叶野牡丹和野牡丹，其植株、叶、花、果的大小介于第1、2类之间。在第3类中，展毛野牡丹与多花野牡丹最先聚在一起，其次是细叶野牡丹，野牡丹最后聚入，表明展毛野牡丹和多花野牡丹的表型相似度最高，二者与野牡丹的表型差异较大。如图1所示，同种下的各居群均能较好地聚为一类。在展毛野牡丹种内，地理位置较近的居群较先聚类，地理位置最远的居群表型变异最明显，其表型分化可能在一定程度上与生境断裂有关；而多花野牡丹、细叶野牡丹、野牡丹种内各居群并没有严格依地理距离聚类，其最先聚在一起的并不是地理位置较近的居群，这可能是因为其居群间相对孤立，表型性状的变异不连续。

2.5 表型的因子分析

表型性状往往包含多个变量，采用因子分析对其进行降维，可以简化分析过程，更好地描述变异构成特征。对16个居群的22个表型性状进行因子分析，前4个因子的特征值、方差贡献率、累积方差贡献率如表5。由表5可知，这4个因子对方差的累积贡献率达到了89.339%，已足够描述野牡丹属植物的表型性状；其中因子1的方差贡献率高达50.856%，可以将其看作是影响野牡丹属植物表型分化的主要因子。对输出的方差最大正交旋转载荷矩阵（表6）进行分析得出，因子1在花萼长、萼裂片宽、花瓣宽、花径、叶长、花瓣长、萼裂片长、小苞片宽、小苞片长上具有较大载荷，除叶长外，其余均为描述花部性状的指标，可见花部形态的变异是引起野牡丹属植物表型分化的主要因素，可将因子1看作花部形态因子；因子1在叶长、叶柄长、果径、叶片宽、株型上也具有较大载荷，表明这些性状与花部形态性状紧密相关。因子1已基本涵盖了野牡丹属植物的主要形态特征，可作为该属植物分类的重要依据。因子2中叶尖形态和叶长宽比是主要的分化指标，突出了叶形，也有利于分类识别，可将因子2定义为叶形因子；基出脉在因子2中具有较大的负载荷，其与叶形具有一定的负相关，一般来说，叶长宽比较大、叶片细长者基出脉数偏少，反之则多。因子3在花色、花朵数上具有较大载荷，可看作花部质量因子；叶基形态在因子3中同样具有较大载荷，其与花色、花朵数之间可能存在一定相关性。因子4可定义为叶柄颜色因子。叶基形态和叶柄颜色均为叶部质量性状，是对叶片特征的补充描述。

3 讨论与结论

表型多样性是遗传多样性与环境多样性的综合体现[4]。尽管同工酶标记和分子标记已广泛应用于植物遗传多样性的研究，但表型性状的研究仍然是遗传多样性研究最基本的方法和途径。近年来表型多样性研究一直比较活跃，在披碱草属[2]、紫丁香[4]、宽刺蔷薇[27]、胭脂花[28]、白花树[29]、睡莲属[30]、岷江百合[31]、陆地棉[32]等植物多样性研究中行之有效，较好地揭示了群体的遗传规律和变异，为其遗传多样性的客观评价提供了科学依据。

表型性状变异往往具有适应和进化上的意义[2]，丰富的表型变异蓄积提高了群体适应多种环境的可能性，也为种的形成提供了基础。野牡丹属植物分布较广，生境多样，其种间和种内居群间均表现出丰富的表型多样性。本研究结果显示，野牡丹属植物在果横径、花直径、花萼筒长、花瓣长、叶长宽比上的变异系数较小，表明该属的花、果大小和叶形性状较稳定，种间相似性较高；但在其余表型性状上种间差异明显，尤以花序花朵数、小苞片长宽、叶柄长、花梗长等性状的变异幅度较大。野牡丹属植物种内居群间也存在明显的表型分化，但大多集中在易受环境影响以及由此产生的个体生长差异所引起的性状变异，如叶片大小、叶柄长、花梗长、叶柄颜色、花色等的差异。

由于野牡丹属植物分布较广，形态特征变异较大，长期以来学术界对该属植物的分类并未形成统一意见。根据Meyer 2001年所做的修订，英文版《Flora of China》（2007年）认可该属植物有22种，在中国境内分布的仅为5种，其中将多花野牡丹、展毛野牡丹和野牡丹（M. candidum）合并为同1新种野牡丹（M. malabathricum）[33]，这一点目前在国内仍存在争议。杨利平等[18]对国产5种野牡丹属植物种子特征的初步研究表明，多花野牡丹、展毛野牡丹、野牡丹在种子千粒重、发芽率、种子表面微形态等方面存在较大差异。刘雪凝等[19]对5种野牡丹属植物花粉形态的研究结果表明，野牡丹、展毛野牡丹、多花野牡丹的花粉极面观、孔沟延伸程度和花粉外壁纹饰差异显著，推断野牡丹是最为原始的类型，展毛野牡丹和多花野牡丹均较其进化。陈进燎等[20]对野牡丹属6种植物叶片表面形态特征进行扫描电镜观察，结果显示多花野牡丹、野牡丹存在较大差异，经聚类分析发现多花野牡丹、展毛野牡丹与细叶野牡丹的亲缘关系较近，与野牡丹的亲缘关系较远，结合花期、花型、果型的比较差异，推断多花野牡丹和野牡丹应该为2种植物。本研究通过对野牡丹属植物表型性状的聚类分析结果表明，展毛野牡丹和多花野牡丹的表型相似度最高，二者与野牡丹的表型相似度较之细叶野牡丹要低，据此推测展毛野牡丹和多花野牡丹可能具有最近的亲缘关系，二者与细叶野牡丹的亲缘关系较近，与野牡丹的亲缘关系则可能较远，这与陈进燎等的研究结果基本一致。由此笔者认为将多花野牡丹与展毛野牡丹合并具有一定的合理性，但其与野牡丹是否能归入同1个种值得商榷。表型性状兼具稳定性和变异性，既是遗传变异的表征，也易受环境的影响，因此本研究中基于表型相似度的野牡丹属部分种间亲缘关系的推断可能不完全是其遗传关系的真实反映，还需结合细胞学、孢粉学、分子生物学等方法进一步论证。

本研究中因子分析的结果显示，花部形态的变异是野牡丹属植物表型分化的主要因素，其次是叶、果和株型的变异，部分性状如基出脉、花梗长、茎被毛的变异对野牡丹属植物表型分化的作用较小，这表明用于野牡丹属植物分类鉴定的表型性状并非越多越好，应着重注意叶、花、果的形态、株型、花序花朵数、花色等较重要的性状，避免过多次要性状的干扰。

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