贵州古茶树种质资源基于形态特征的多样性研究

牛素贞，宋勤飞，安红卫，黄 政，刘 霞，赵德刚，陈正武

(1.贵州省农业科学院 茶叶研究所/贵州省茶叶研究所，贵州 贵阳 550006； 2.贵州大学 农业生物工程研究院，山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025； 3.贵州大学 茶学院，贵州 贵阳 550025)

植物多样性是地球上极为重要的财富，是人类赖以生存和发展的重要物质基础。遗传多样性越丰富，改良栽培品种或选育新品种的潜力就越大。然而，随着农业耕作方式和人们生活方式的不断改变，生态环境的恶化加剧，植物的遗传多样性正在逐步减少[1]。茶树种质资源遗传多样性评价是茶树育种研究的重要组成部分，对于更有效地利用现有的种质资源，提高育种的准确性具有重要意义。目前，伴随着生物学、遗传学和分子生物学的发展，遗传多样性的检测方法不断完善，已经从形态学、细胞学(染色体)、生理生化水平逐渐发展到分子水平。同时我们也注意到，各种方法在理论或实际研究中都有其各自的优点和局限性[2-4]。形态多样性研究是目前种质资源研究的重要内容，也是物种遗传多样性研究的重要组成部分。不同植物生理生态特性的改变以及遗传分化，一般会从形态特征反映出来。因此，根据形态特征的不同，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[5-7]。本研究对144份贵州古茶树种质资源进行形态性状的多样性分析，目的在于分析贵州32个分布地古茶树种质资源形态性状的变异，从形态学上评价贵州古茶树种质资源的多样性，为贵州古茶树种质资源的利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以分布在贵州的32个分布地的古茶树种质资源为材料(表1)。

按照陈亮等[8]的分类，包括山茶属CamelliaL.茶组Sect.Thea(L.) Dyer的大厂茶(C.tachangensisF.C. Zhang)25份、大理茶(C.taliensis(W.W. Smith) Melchior)9份、秃房茶(C.gymnogynaChang)9份、茶(C.sinensis(L.) O. Kuntze)57份、待分类的茶组植物(Camelliassp.)44份。

1.2 方法

1.2.1 形态学性状调查方法

2009年10月—2011年11月对分布在贵州省的古茶树种质资源进行野外调查，参照江昌俊[9]的方法，调查的性状是：树型、树姿、叶面积、叶色、叶脉对数、叶身、叶尖、柱头分裂数、子房室数、叶形10个形态性状。数据调查基本为单人调查，避免了某些性状的视觉误差。根据调查的数据对部分质量性状进行赋值，数量性状按照测量值进行记录和统计。将数据汇集以后进行数据的标准化转换，以便进行性状的遗传多样性分析。

1.2.2 形态学性状的数据标准化及统计分析

参考陈亮等[8]对茶树叶片形态性状的分级标准进行分级和标准化(表2)。根据调查的数据对部分质量性状进行赋值。数量性状按照测量值进行记录和统计。将所有数据录入Excel表格，然后对数据进行标准化，构成性状原始数据矩阵。依据叶长和叶宽计算叶面积，叶面积=叶长×叶宽×0.7，再根据叶面积的平均值，确定叶片的大小并进行赋值。

表1 贵州古茶树种质资源分布地信息

Table1Information of original area of ancient tea plants in Guizhou

编号调查地点东经北纬海拔材料数量种质No.OriginEastlongitude/ENorthlatitude/NAltitude/mSamplenumberSpeciesandvarieties1黔东南108°11′-108°41′26°23′-26°29′613-1478187C.sinensis,11CamelliasspSoutheasternGuizhou2黔西南104°44′-105°36′24°56′-26°13′1147-1900549C.sinensis,22C.tachangensis,SouthwesternGuizhou17Camelliassp.,6C.taliensis3黔南106°35′-107°54′25°21′-26°30′772-14572820C.sinensis,3C.tachangensis,SouthernGuizhou5Camelliassp.4黔北105°53′-108°36′27°27′-29°27′621-12393611C.gymnogyna,15C.sinensis,NorthernGuizhou10Camelliassp.5黔中105°36′-106°36′26°13′-26°32′1154-130888Camelliassp.CentralGuizhou

表2 茶树主要形态形状特征及数量化

Table2Morphological characteristics of tea plants and numerical values

性状指标Trait质量性状数量化Quantificationofqualitativetrait12345树型Planttype乔木Arbor小乔木Semi-arbor灌木Shrub树姿Growthhabit开展Horizontalspreading半开展Semi-erect直立Erect叶面积Leafarea/cm2小叶Small(<20)中叶Medium(20～40)大叶Large(40～60)特大叶Extralarge(60～80)超特大叶Superextralarge(≥80)叶色Leafcolour黄绿色Yellowgreen浅绿色Lightgreen绿色Mediumgreen深绿色Darkgreen紫绿色Purplegreen叶脉对数7～89～1011～1213～14Numberofveinpairs叶身Leafcrosssection内折Convex平Flat稍背卷Concave叶尖Leafapexshape急尖Acute渐尖Attenuate钝尖Blunt圆尖Obtuse柱头分裂数Number345ofstylesplittings子房室数345Loculenumber叶形Leafshape披针形Lanceolate长椭圆形Oblong椭圆形Elliptic近圆形Nearround

1.2.3 统计分析

将数据汇集以后进行数据的标准化转换，采用SPSS 15.0统计软件对10个形态性状的遗传多样性和主成分进行分析。形态性状的遗传多样性指数采用Shannon-weaver指数H，计算公式为：多样性指数H=-∑(Pj)×ln(Pj)，其中Pj为某性状第j个代码出现的频率[10]。

2 结果与分析

2.1 贵州古茶树种质资源10个形态性状的频率分布

表3显示，10个形态性状观测值上的频率分布，按照前面数据的标准化，叶面积和叶色等性状指标分为5个等级，叶形、叶脉对数和叶尖等性状指标分为4个等级，树型、树姿、叶身、柱头分裂数、子房室数等性状指标分为3个等级。144个古茶树种质资源的树型主要分布在等级3(灌木型)上，等级2(小乔木型)分布较少；树姿主要分布在等级1(开展)和等级2(半开展)上，等级3(直立)分布较少；叶面积主要分布在等级2(叶面积20～40 cm2)上，等级1(叶面积<20 cm2)和5(叶面积≥80 cm2)的分布较少，分别为7%和4%，即材料中超特大叶类型和小叶类型较少；叶形和叶色在等级3上分布最多，达59%以上，叶形在等级1(披针形)上分布最少，仅为1%，即材料中披针形叶片分布较少，椭圆形、绿色叶片类型的分布较多；叶脉对数主要集中分布在等级2上，也就是9～10对叶脉的材料较多；叶身主要分布在等级3上，即叶身稍背卷的材料较多；叶尖基本均匀分布在4个等级上；子房室数和柱头分裂数主要分布在1、3等级上，等级2也就是4个子房室数和4个柱头分裂数的材料分布较少。

2.2 贵州古茶树种质资源10个形态性状的变异

对144份贵州古茶树种质资源的10个主要形态性状进行统计分析，结果表明(表4)，10个形态性状变异系数除树姿外，其他9个性状变异系数均达35%以上，其中叶面积变异系数达100%以上，变异系数的大小依次为叶面积、柱头分裂数、子房室数、叶尖、树型、叶色、叶脉对数、叶身、叶形、树姿。10个形态性状多样性指数均达到0.85以上，叶面积的多样性指数最高，达1.74，叶形多样性指数最低，为0.87。

2.3 贵州古茶树种质资源10个形态性状的主成分分析

由表5可见，前4个成分的累计贡献率仅达到85.97%，表明前4个主成分基本反映了10个指标的信息。PC1、PC2、PC3和PC4的贡献率分别为48.63%、15.87%、11.17%和10.30%。

原始变量和前4个主成分之间的相关性见表6。PC1主要代表树型、树姿、叶面积、叶尖和柱头分裂数；PC2主要代表叶形、叶身；PC3主要代表叶脉对数、子房室数；PC4主要代表叶色。

表3 十个形态性状的频率分布

Table3Frequency distribution of morphological characteristics for tea varieties

%

表4 十个形态性状的统计参数和遗传多样性指数

Table4Statistic parameters and diversity index of 10 morphological characteristics of tea germplasms

性状Trait平均值Mean最小值Min最大值Max变异系数CV/%多样性指数H树型Planttype2.111344.530.99树姿Growthhabit2.111321.861.02叶面积Leafarea/cm233.9311.64100.08109.581.74叶形Leafshape1.721436.710.87叶脉对数Numberofveinpairs10.1271439.431.33叶身Leafcrosssection2.201339.051.06叶尖Leafapexshape2.541444.571.36子房室数Loculenumber1.931346.140.91柱头分裂数Numberofstylesplittings1.931346.140.91叶色Leafcolour3.201540.750.92

表5 十个形态性状主成分的特征向量及贡献率

Table5Eigen vectors and percentages of accumulated contribution of principal components

主成分Principalcomponent特征值Eigenvalue贡献率Contributionrate/%累计百分率Cumulativepercentage/%PC14.8648.6348.63PC21.5815.8764.50PC31.1111.1775.67PC41.0310.3085.97

贵州古茶树种质资源主成分得分见表7。PC1较高的正值表明古茶树种质资源的树姿趋向直立，叶面积、柱头分裂数都较大，G3、G11、G20、G23、G88、G90、G91、G92、G109、G34、G35、G101、G102、G103、G39、G45、G53、G54、G55、G57、G68、G69、G121、G130、G139等材料属于此类。PC1的较低的负值表明古茶树种质资源的树型趋向于灌木，叶尖趋向圆尖，G28、G74、G79、G80、G81、G82、G83、G85、G86、G94、G37、G38、G43、G129、G112、G113、G66等材料属于此类。高的PC2正值表明古茶树种质资源叶身趋向稍背卷，G15、G27、G100、G35、G42、G114、G47、G54、G129、G138等材料属于此类；低的PC2负值表明叶形趋向于近圆形，G33、G79、G89、G95、G96、G36、G111、G71等材料属于此类；PC3较高的正值表明古茶树种质资源具有较多的子房室数，如材料G14、G59、G62、G132等；低的PC3负值表明古茶树种质资源具有较多的叶脉对数，如G1、G17、G19、G67、G141等材料。

2.4 五个分布区古茶树种质资源叶片形态性状变异

由表8可见，黔西南分布区的古茶树种质资源的形态遗传多样性与其他分布区相比较广泛，除了树姿和叶形遗传多样性指数分别为0.93和0.87外，其他各性状的遗传多样性指数均在1.0以上。形态遗传多样性指数中，树型、叶尖和子房室数遗传多样性指数黔西南分布区最高，其次是黔南分布区、黔北分布区、黔中分布区分布区、黔东南分布区；树姿遗传多样性指数是黔西南分布区最高，其次是黔南分布区、黔东南分布区、黔北分布区和黔中分布区；叶面积的多样性指数以黔西南分布区最高为1.30，黔北分布区、黔中分布区、黔东南分布区次之，黔东南分布区最低为0.72；叶形遗传多样性指数除了黔中分布区最低为0.45，其他分布区在0.72～0.87，属于中等遗传变异；叶脉对数的遗传多样性指数黔南分布区最高，其次是黔西南分布区、黔北分布区、黔东南分布区、黔中分布区；叶身和花柱分裂数的遗传多样性指数黔西南分布区最高，其次是黔南分布区、黔北分布区、黔东南分布区，最低是黔中分布区；黔西南分布区、黔东南分布区和黔南分布区叶色的变异程度相对一致，黔北分布区和黔中分布区相对较低。

表6 贵州古茶树种质资源性状变量因子负荷量

Table6Factor loadings for morphological characteristics of wild tea germplasms in Guizhou

变量Variable因子负荷量FactorloadingsPC1PC2PC3PC4树型Planttype-0.7220.332-0.108-0.217树姿Growthhabit0.511-0.390-0.009-0.064叶面积Leafarea0.6910.083-0.023-0.360叶形Leafshape-0.328-0.5560.365-0.073叶脉对数Numberofveinpairs0.2490.336-0.5530.199叶身Leafcrosssection0.0140.525-0.475-0.224叶尖Leafapexshape-0.5880.2110.277-0.191子房室数Loculenumber0.1690.2820.667-0.066柱头分裂数Numberofstylesplittings0.5380.2530.3930.251叶色Leafcolour-0.2740.136-0.0790.806

表7 贵州古茶树种质资源主因子分析

Table7Factor scores for wild tea germplasms in Guizhou

种质Germplasm因子值FactorscorePC1PC2PC3PC4种质Germplasm因子值FactorscorePC1PC2PC3PC4G11.4320.681-1.598-0.022G361.280-2.1520.6141.335G20.779-0.750-0.753-0.403G37-1.569-0.598-0.6930.050G32.398-0.2440.9760.698G38-1.5730.417-1.250-0.157G40.3831.0821.378-1.840G391.8570.6190.6020.435G50.8291.1870.8020.278G40-1.4240.1000.3740.535G60.7820.143-1.0540.515G41-1.3390.226-0.0560.444G70.5250.727-1.1880.405G420.8301.798-0.1440.372G80.279-1.0810.9060.617G43-1.6590.6360.331-0.556G9-0.1411.032-0.107-0.174G440.669-0.7150.6031.179G101.3860.285-1.204-0.487G452.3540.653-1.229-1.476G111.859-0.809-0.116-0.861G46-0.3841.322-0.2400.141G121.0160.1761.1800.197G471.2902.243-0.3161.146G130.9160.794-1.4110.823G481.3570.718-0.723-0.341G140.2860.9161.7080.616G49-1.3390.226-0.0560.444G150.0211.582-1.2090.324G50-1.154-0.8851.030-0.118G161.312-0.0931.4210.204G51-1.154-0.869-0.521-1.778G171.146-0.638-1.536-2.389G52-0.5380.544-0.6050.960G180.6771.3040.192-1.833G53-0.3451.001-1.112-1.033G19-0.3780.812-1.7770.231G540.2571.9670.861-0.790G202.316-0.0601.219-1.863G55-0.6491.152-0.231-0.071G21-0.1700.9860.629-2.174G56-1.3430.4280.590-0.082G22-0.3270.8190.781-0.116G572.272-0.767-0.928-0.193G231.8851.2600.725-1.013G58-1.2670.0901.237-1.922G240.3790.9440.216-0.391G591.536-0.8271.857-0.321G251.3930.715-0.2700.312G601.1190.2301.3701.454G26-0.9421.2000.475-0.067G610.5250.024-1.3690.800G27-1.0171.5370.0110.082G62-1.777-1.3933.6460.615G28-1.896-0.920-0.428-0.167G63-0.4800.4741.8530.782G29-0.5542.2270.5680.153G64-0.859-0.172-1.466-0.320G30-0.1790.9301.395-0.467G65-0.8860.2560.1271.613G31-1.216-0.229-1.449-0.041G66-1.896-0.920-0.428-0.167G32-1.190-0.2471.4550.236G670.2400.020-2.072-1.868G33-1.269-1.6360.2970.875G682.063-1.0740.3060.036G341.866-0.853-0.2900.101G691.829-0.8910.074-0.354G352.1381.775-0.4391.540G70-1.3390.226-0.0560.444

续表7

不同分布区古茶树种质资源的形态变异存在差异，其中黔西南分布区种质资源的树型、树姿、叶面积、叶身、叶尖、子房室数、花柱分裂数、叶色等变异系数最大，黔南分布区种质资源的叶形和叶脉对数变异系数最大(表9)。树型变异系数以黔西南分布区最大，为53.36，黔东南分布区树型变异最小；树姿在5个地区变异幅度均较小；叶面积的变异系数各地区的差异较大，变异系数以黔西南分布区最大，为110.11%，黔东南地区的叶面积变异系数最小，为44.23%；叶形变异系数黔南分布区最高，为52.84%，黔东南分布区最低，为26.87%；叶身、叶尖、子房室数和花柱分裂数的变异系数以黔西南分布区最高，分别为58.79%、64.76%、73.12%和79.37%，黔东南地区最低，分别为27.66%、25.33%、25.86%、25.18%；叶色变异系数以黔西南分布区为最大，达62.05%，黔北分布区最小，为25.02%。5个群体10个形态性状的平均变异系数从大到小的排序为：黔西南分布区、黔南分布区、黔北分布区、黔中分布区、黔东南地区。黔西南分布区的古茶树种质资源是变异系数最大的群体，说明黔西南分布区古茶树种质资源的形态多样性较丰富，黔东南地区的形态多样性程度较低。

表8 五个分布区古茶树种质资源形态性状的多样性指数

Table8Diversity index of morphological characteristics of wild tea germplasm in five distributed areas

性状Trait黔西南SouthwesternGuizhou黔东南SoutheasternGuizhou黔南SouthernGuizhou黔北NorthernGuizhou黔中CentralGuizhou树型Planttype1.100.560.850.690.60树姿Growthhabit0.930.650.770.500.45叶面积Leafarea1.300.721.021.131.12叶形Leafshape0.870.720.870.840.45叶脉对数Numberofveinpairs1.240.891.291.020.87叶身Leafcrosssection1.080.830.921.060.69叶尖Leafapexshape1.380.601.371.091.01子房室数Loculenumber1.090.610.820.800.69柱头分裂数Numberofstylesplittings1.080.670.850.840.66叶色Leafcolour1.080.960.900.510.68

表9 五个分布区古茶树种质资源形态性状的变异系数

Table9Coefficient of variation of morphological characteristics of wild tea germplasm in five distributed areas

性状Trait黔西南SouthwesternGuizhou黔东南SoutheasternGuizhou黔南SouthernGuizhou黔北NorthernGuizhou黔中CentralGuizhou树型Planttype53.3619.7434.6641.5823.71树姿Growthhabit28.6224.969.4517.4422.25叶面积Leafarea110.1144.2379.6646.3346.25叶形Leafshape50.0726.8752.8449.2536.35叶脉对数Numberofveinpairs52.8635.5265.0453.0556.70叶身Leafcrosssection58.7927.6651.7242.0448.04叶尖Leafapexshape64.7625.3346.5351.4051.23子房室数Loculenumber73.1225.8665.1053.4845.67柱头分裂数Numberofstylesplittings79.3725.1855.9649.9946.77叶色Leafcolour62.0529.5459.0825.0247.32平均值Mean63.3128.4952.0042.9642.43

2.5 贵州古茶树种质资源10个形态性状的聚类分析

对贵州古茶树种质资源10个形态指标的调查测定值标准化后，进行聚类分析(图1)。结果表明，在欧氏距离5.60处供试材料明显分为3大类型；第Ⅰ类包括：G40、G47、G48、G49、G67、G68、G69、G70、G71、G72、G91、G92、G98、G103、G109、G116、G118、G119、G120、G121、G123、G131、G133、G134、G136、G137、G139共27个材料，该类材料来自于黔东南地区的雷山，黔中分布区的贵定、都匀、安顺西秀、贵阳花溪，黔西南分布区的兴仁、晴隆、普安、安龙，黔北分布区的道真、务川、正安；第Ⅱ类包括G57、G64、G122、G124、G125、G127、G128、G129、G130、G138共10个材料，该类材料大部分来自黔西南分布区的晴隆，部分来自黔中分布区的贵定、花溪区和都匀市；第Ⅲ类包括其余的 107份材料，该类材料来自于表4中除安龙仙鹤平自然保护区、雷山方祥乡和西江、普安江西坡、务川涪洋等以外的28个分布地。从形态性状来看，各个分布区的古茶树没有明显的地域特征。

3 讨论

3.1 贵州古茶树种质资源10个形态性状的频率分布

孙雪梅等[11]对云南古茶树的形态性状研究发现，云南古茶树的形态性状多以叶面积大、叶面平或稍隆起、叶色为绿色、柱头4、5裂为主。本研究对贵州古茶树种质资源研究的结果表明，灌木型和乔木型树型茶树较多，树姿直立的较少；中叶类型较多，超特大叶类型和小叶类型较少；叶形多以稍背卷、叶色以绿色为主；材料中披针形叶片分布较少，椭圆形叶片和绿色叶片分布较多；叶脉对数主要以9～10对的较多；叶身稍背卷、子房3室和5室、花柱3裂和5裂的材料居多。这些表明贵州古茶树种质资源与云南古茶树种质资源具有一定的地域差异性，贵州独特的气候特征孕育了其独特的资源类型和多样性。

图1 一百四十四份古茶树种质资源形态性状聚类图

3.2 贵州古茶树种质资源10个形态性状的变异

古茶树资源是变异最为广泛的一类群体[12-13]。众多学者对茶树的研究表明[3，14-16]，古茶树资源的变异较为丰富。本研究结果表明，贵州古茶树种质资源表现出显著的形态多样性，在所调查的性状中，叶面积最小值为11.64 cm2，最大值超过100 cm2，差距超过85 cm2。

性状的变异系数是性状遗传多样性的数量化体现。变异系数越大，则说明所试材料遗传多样性越高[2-3]。本研究中10个形态性状变异系数除树姿外，其他9个性状均达到35%以上，其中叶面积变异系数达100%以上，说明叶面积较其他性状变异性大，这可能与古茶树的立地生态环境存在较大关系；其次是花柱分裂数、子房室数、叶尖等变异也较大，这些性状在分类学研究中处于较为重要的地位，且能够稳定遗传[4，17]，进一步说明贵州古茶树的遗传变异较为广泛。另外，遗传多样性指数也是反映遗传多样性的指标，多样性指数越高，说明该物种的遗传多样性水平越高[1，18-19]。本研究结果显示，10个形态性状多样性指数均达到0.85以上，表明贵州古茶树种质资源的10个形态性状均存在较为显著的遗传变异。

3.3 贵州古茶树种质资源10个形态性状的聚类

形态性状的聚类是遗传因素与环境因子共同作用的结果，在一定程度上反映了种质的遗传多样性[20]，本研究在欧氏距离5.60处把贵州古茶树种质资源明显分为3大类型，Ⅰ类包括27个材料，该类材料来自于14个分布区，Ⅱ类包括10个材料，该类材料大部分来自晴隆，Ⅲ类包括其余的107份材料，该类材料来自28个分布区；3大类型中仅Ⅱ类材料有明显的区域特征，Ⅰ类和Ⅲ类材料均没有明显的地域特征，这可能是贵州多样性的立体生态气候，每一个小区域范围内均形成了非常广泛的变异，也可能由于调查的性状较少、环境不统一产生的误差，这需要进一步验证聚类的结果，来证明基于形态性状评价的遗传多样性分析结果是否可靠[8，21]。

3.4 贵州古茶树种质资源形态多样性与分布的关系

各分布区由于生态环境、传播的时间不同，其多样性会存在差异[22]，本研究结果显示，同一性状在5个分布区内的变异幅度有差异，总体来看，黔西南分布区的古茶树种质资源的形态遗传多样性比其他地区广泛，除了树姿和叶形遗传多样性指数分别为0.93和0.87外，其他各性状的遗传多样性指数均在 1.0以上，其次是黔南分布区、黔北分布区，黔中分布区、黔东南地区。变异系数及其平均值也验证了5个地区的变异幅度是黔西南分布区>黔南分布区>黔北分布区>黔中分布区>黔东南地区，这可能与黔西南分布区是茶树的起源地有关，排在第二位的地区是黔南分布区，其与黔西南分布区相隔较近，变异最小的区域是黔东南地区，与黔西南分布区距离相对较远，这可能是区域的多样性与起源地的远近有关[17]。