基于形态标记的洛阳市常见栽培芍药聚类分析

2018-01-25董媛

绿色科技 2018年5期

董媛

摘要：指出了洛阳芍药栽培历史悠久，但其遗传多样性研究较少，这严重阻碍了芍药通过杂交获得新品系的研究。通过实验对9种河南洛阳常见栽培芍药品种花色、花型、株型等18种性状进行了形态聚类分析。结果表明：洛阳市常见栽培芍药各品种之间的平均欧氏距离是4.6560，从形态标记聚类图可看出，在纵切线位置（欧氏距离为5.2869）可将河南洛阳9种常见栽培芍药分为3个类群，第一类包括2类芍药品种;第二类包括5类芍药品种;第三类有2类芍药品种。以形态性状数据为基础，为河南洛阳芍药各品种间的分类、亲缘远近关系及品种间杂交提供了可借鉴的资料。

关键词：芍药;形态标记;聚类分析

中图分类号：S682

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）05-0047-04

1 引言

芍药P.lactilora Pall，属于毛茛科芍药属的多年生草本花卉，是中国原产的著名花卉，栽培历史久远，中国是最早实现芍药园艺栽培的国家，芍药作为观赏栽培距今已有3900多年的历史。芍药属在全世界约有30种，在中国主要分布于东北、华北、陕西及甘肃南部等地区[1]。芍药品种不但生长适应性强，而且富有观赏性，还兼具食用、药用、工业原料等经济价值，是一类极具开发潜力的植物资源。随着中国主产的芍药品种不断消涨更新，一些老旧品种由于观赏特性和栽培保护等诸多因素的相抵而遭淘汰或丢失，同时生产者也选育出不少新品种，但这些品种却普遍存在家底模糊、认辨不清的问题[3]，亟待系统整理。

我国芍药属共有约15种，4亚种，其中芍药组有7种，2亚种[2]。1958年，方文培就芍药组提出了6个种，1个变型和1个变种[3]。1979年，潘开玉对中国芍药品种进行了一次全面修订，就芍药组提出了8个种和一个变种[4]。2001年洪德元先生在《Flora of China》（《中国植物志》英文版）编写工作中，对芍药科（属）进行了重大修订，认为在中国芍药属共有15种，4亚种，其中芍药组有7种，2亚种，分别是：草芍药（P.obovata Mar-im.）、拟草芍药（P.obovoatasubsp. wilLmottiae（Stap厂）D.y.Hong&K.y.Pan）、美丽芍药（P.maireiLevl.）、芍药（P.lacti flora PalL.）、多花芍药（P.emodi Wall.erRoy）、白花芍药（P.sterniana Fletch.er）、新疆芍药（P.anomala L.）、JII赤芍药（P.anomalavar. veitch.ii（Lynch） D.y.Hong&K.Y.Pan）、塊根芍药（P.inter-mediaC.A. Mey）。

近些年来，数量分类学方法和遗传标记（geneticmarkers）作为新的分类方法在植物分类学中开始得到应用。数量分类学方法综合了各种形态信息，采用构建树形图的形式，因此可以精确再现地研究对象之间的亲疏关系[5]，借助于数量分类学的手段，克服了仅依直观经验性进行芍药属分析的弊端。遗传标记是遗传物质的特殊的易于识别的表现形式。遗传标记主要有4种类型，即：形态标记（morphologleal markers）、细胞标记（cytological markers）、生化标记（biochemical markers）和分子标记（molecular markers）。其中形态标记是指植物的外部特征特性，是一类容易观测，使用广泛的标记，如叶形、花色等性状通过观察即可作出判断;叶长和叶宽比、叶柄长度、总花梗长度等性状只需简单地测量[6]。大量的形态标记结合聚类分析方法对物种进行分类，能较为真实地表现品种的综合性状，聚类的结果比较稳定，为育种取材提供客观依据。目前这项研究工作在农业、林业、医药等领域得到广泛应用，关于芍药的研究，近期也有类似研究[7]。

在近50年来，有关芍药分类相关方面的研究工作主要立足于花型分类及演化[2]。20世纪60年代，著名牡丹、芍药专家周家琪依据花部器官内在联系和演进过程，提出比较科学的、符合自然演进规律的分类系统，将芍药品种分为单瓣类、千层类、楼子类共3类11型[8]。秦魁杰在此基础上将芍药品种分为单花类和台阁类两大类，在台阁类中依据雌雄蕊的瓣化程度分为出生台阁、彩瓣台阁、分层台阁、球花台阁4个型[9]。

洛阳牡丹甲天下，但实际上，洛阳芍药的种植面积并不少，但是洛阳栽培的芍药亲缘关系如何，是否可以选择本地栽培芍药作为亲本进行杂交要看其亲缘关系的远近，为了尽快回答这个问题，本研究将针对9种河南洛阳常见栽培芍药品种所表现出来的形态特征，用聚类分析法对它们的多样性进行研究，以期对河南洛阳常见栽培芍药品种亲缘远近关系作进一步地了解，从而改变当前生产中存在的品种的遗传多样性较低的现状，为芍药的可持续发展奠定坚实的基础[2]。同时也在生产经营、园林应用及新品种的审定等多个层面均具有重要的指导价值，对于其他类型品种的分类也具有重要的参考价值[10]。

2 材料和方法

2.1 材料的选取

芍药科系单属科，由芍药属从毛茛科独立而来，芍药属内划分为3个组，即牡丹组、北美芍药组和芍药组，其中芍药组系属内最大的组，约含22个种，组内又有全缘羽叶亚组和多裂叶亚组之分，在中国芍药种质资源的分类史上曾先后提名过13个种，但目前已基本得到公认的却主要有8个种（5个变种），皆隶属于芍药组。

中国芍药品种种质资源众多，其分类历史悠久，按照花型演进规律目前已形成日趋一致的花型分类方案[2]。本实验材料从芍药组中选取河南洛阳常见的9个芍药品种为分类运算单位（Operational taxonomic U-nit，OUT），序号、种名所属种详见表1。

2.2 性状的选取和编码

芍药组植物为多年生草本植物，花盘不发达，肉质，仅包裹心皮基部，含较多芍药苷，不含牡丹酚[11]。

通过对所选芍药品种的观察和分析，为了度量分类对象之间的接近与相似程度，需要定义一些分类统计量，用作分类的数量指标，从而可以定量地进行分类，常用的分类统计量有距离和相似系数，它们的定义与聚类分析的类型有关[12]。

故选取若干芍药品种分类所用的性状，剔除不变性状，筛选出20个有分类价值、比较稳定、能够反映品种间特征差异的性状，对上述9种芍药品种进行分析统计，并作为聚类指标。对调查的芍藥品种性状如花色、花型、花瓣层次、叶型、叶缘、表皮毛等进行形态编码。其中7个数量性状如心皮、株型、萌蘖枝、叶柄长、总花梗长、基生苞片数、花茎用数量进行编码。将统计的数据输入Excel表格，并对每个性状赋值。

本研究以期以植物形态标记对洛阳市常见栽培芍药准确进行聚类分析，故随机选取锦袍红、二乔、璎珞宝珠和魏紫四种常见牡丹品种作为系统对照。根据芍药形态标记选取标准，我们采用芍药、牡丹具体共同形态标记编码如表2。

性状的选取直接影响着聚类的结果，本实验在选取性状时去掉了那些明显逻辑相关的性状，从而避免了性状的加权，保证了实验结果的可靠性[6]。但由于条件的限制，所选用的性状大都是宏观性状，而对于部分解剖及微观同样具有分类价值的性状，则因未能获得相关数据而没有纳入分析范围。

2.3 数据处理

数据的获得均来自洛阳市牡丹研究所实地测量。对选取的河南洛阳常见栽培芍药品种进行测量分析，运用唐启义等[13]的DPS数据处理系统进行数据处理。

数据的标准化使用STD（标准差标准化）命令，采用欧式（Euclidean）距离系数计算遗传距离，公式为Eii一√∑k（Xij -Xij）2将（i=j=l，2，3，4，5……29;k为第k个性状）。数据进行标准化处理之后，采用欧氏距离最远距离聚类分析，得到树状图。

2.4 外置对照检测

DPS数据处理系统，英文名称为Data ProcessingSystem，取首字母缩写为DPS。该系统采用多级下拉式菜单，用户使用时整个屏幕犹如一张工作平台为作者设计制造的通用多功能数理统计和数学模型处理软件系统。开发近些年来，少有学者利用其进行分类学研究。由于牡丹和芍药同属毛茛科，芍药属，且芍药与牡丹外貌相似，所以不少人分辨不清或误认牡丹为芍药，或误认芍药为牡丹。以共同形态标记编码为标准，同芍药各品种数据测量方法，对所选取的所有常见栽培芍药品种和若干牡丹品种先进行测量，以期验证DPS用于植物品种分类准确性。

3 结果与分析

3.1 外置对照检测分析

性状的编码方法取决于性状的类型[14]。所测带有数值型的性状则由测量后取其量度值进行编码，根据芍药、牡丹共同形态标记编码（表2），测得的具体数值如表3。

通过DPS数据处理系统，依据所测量数据，得出9类河南洛阳常见栽培芍药品种和4类牡丹品种形态聚类图（图1），按照图中虚线位置可分析出结果，9类芍药明显属于一类，而4种牡丹则归为一类。结果表明，DPS数据处理系统完全可以准确进行不同品系植物间的分类，且能较为真实地表现品种的综合性状，聚类的结果比较稳定。

3.2 芍药形态标记的遗传多样性分析

根据芍药特有形态标记（表2），测得所选取9种河南洛阳常见栽培芍药品种的指标编码数值，如表4。

根据外置对照检测分析结果，DPS数据处理系统完全可以准确进行不同品系植物间的分类，且能较为真实地表现品种的综合性状，聚类的结果比较稳定。然后将所测得9类芍药的形态标记数值也运用DPS数据处理系统分析，依据所测量数据，从9类河南洛阳常见栽培芍药品种形态聚类图（图2）获得结果。

9种河南洛阳常见栽培芍药品种间的平均欧氏距离是4.6560。

从9种河南洛阳常见栽培芍药品种形态聚类图（图2）可看出，在纵切线位置（欧氏距离为5.2869，图2所示竖线位置）可将9种河南洛阳常见栽培芍药品种分为3类，第一类共有2种芍药品种;第二类有5种芍药品种;第三类有2种芍药品种。

3.2.1 第一类及性状特征

共有2种芍药品种，包括莲台紫色和桃花飞雪，均为雌雄同株，多年生草本花卉;花色为紫红色或紫色;无表皮毛，叶长椭圆形至倒卵形，叶片呈绿色;萌蘖枝较少;苞片4～5枚。

3.2.2 第二类及形状特征

包括玉墨、紫檀生云、迟磷、少女群、短枝红共5种芍药品种。

叶倒卵形至狭椭圆形，少披针形;叶片颜色均为深绿色;基生苞片3～5;花瓣层次多为千瓣层，少为重瓣层;心皮4～5枚。这5种芍药品种株型差异较大，除直立型外，疏散型、开张型、矮生型、独干型均有表现;分枝则多为稠枝型。

在这5种芍药品种中，迟磷和少女群欧式距离最近，为2.5328。

3.2.3 第三类及形状特征

共有2种，包括大富贵和桃红焕彩，花色为红色或深红色;花2～4朵，生茎顶或叶腋;茎绿色;株高60～70cm;小型长叶，边缘有锯齿，常不等2裂，叶面萌发时有被毛，花后脱落;上部茎生叶多为三出复叶或单叶，小叶狭卵形或椭圆形。

4 讨论

本研究采用数量分类学的分析方法，对河南洛阳9种常见栽培芍药品种进行分类。从聚类树系图来看，数量分类结果与传统的形态分类基本相似，但二者之间也有不符之处。例如，在形态分类上桃花飞雪和少女群相似性状较为明显，如花色为红色或粉红色，花瓣层次均为重瓣层，故部分专家学者将其分为一类，但数量分类的结果显示二者亲缘关系较远，而迟磷与少女群的亲缘关系最近。出现这种现象的原因可能是：①过分地依赖某一个或几个形态标记进行分类，因此可能会出现误差，是欠准确和欠可靠的。②出现这些不相符之处的原因也可能是因为选用性状不够全面，或者数据不够充分等主观原因引起的。借助数量分类学的方法，可以对芍药品种做出客观的分类。二者孰是孰非，还有待于从分子水平上的进一步鉴定[6]。

形态标记聚类分析具有简单直观的特点，长期以来芍药品种种质资源鉴定及多样性研究通常都是根据形态标记来进行的。通过聚类还可以看出各品种及类群之间亲缘关系的远近，由此可通过品种亲本的选择、选配，满足不同育种需要;一般情况下，双亲关系越远、遗传差异越大，杂种优势越强;若根据类群间亲本的杂种优势强于类群内亲本间的杂种优势原则选配亲本[15]，再结合其他方法便可提高芍药育种效率。

参考文献：

[1]方前波，王德群，彭华胜.中国芍药属牡丹组的分类、分布与药用之间的关系研究[J].现代中药研究与实践，2004，18（2）：20～22.

[2]郭先锋，中国芍药分类学研究进展[J].北京林业大学学报，2002，24（3）：99～102.

[3]方文培.中国芍药属的研究[J].植物分类学报，1958，7（4）：297～314.

[4]Hong D Y，Pan K Y.A taxonomlc revision of the Paeoniaanomalacomplex （Paeoniaceae）[J]. Ann Missouri Bot Gard. 2004， 91（1）：87～98.

[5]P.史密斯，R.索卡尔.数值分类学——数值分类的原理与应用[M].赵铁桥，译.北京：科学出版社，1984：97～98.

[6]郑翠芳，叶海燕，杨问新，等.基于植物形态标记的福建常见榕树聚类分析[J].福建师范大学学报，2013，29（5）：102～106.

[7]杨柳慧，于晓南.基于表型性状的芍药不同品种群亲缘关系分析[J].植物遗传资源学报，2016，17（2）：209—216.

[8]周家琪.牡丹、芍药花型分类的探讨[J].园艺学报，1962，1（3～4）：351～359.

[9]秦魁杰.牡丹、芍药品种的台阁现象和台阁品种的花型分类[J].园艺学报，1986，13（2）：474～476.

[10]郭先锋，刘爱青，黄雪，山东地区托桂型芍药品种的调查与分类[J].中国农学通报，2010，26（11）：317～323.

[11]沈保安.中國芍药属牡丹组药用植物的分类鉴定研究与修订[J].时珍国医国药，2001，12（4）：330～333.