栀子栽培品种与近缘种的数量分类

邓绍勇，杨 欢，朱培林，陈宜均，李 婷，李康琴*

（1.江西省林业科学院，江西 南昌 330032；2.江西官山国家级自然保护区管理局，江西 宜丰 336300）

【研究意义】我国有栀子属（Gardenia）植物6种，即栀子（G.jasminoides）、狭叶栀子（G.stenophylla）、大黄栀子（G.sootepensis）、海南栀子（G.hainanensis）、匙叶栀子（G.angkorensis）、卷萼栀子（G.reflexisepala）[1-2]，仅栀子分布广泛且普遍栽培。栀子作为香花植物，不仅栽培用于观赏，有较多开重瓣花的观赏品种。栀子果实还是常用的大宗药材和优质的色素原料，有着悠久的栽培历史，使得栀子果用栽培群体的变异类型也相当丰富[3-6]，并形成了一些较为稳定且有一定种植规模的品种类型。如来自广西的长果型水栀子[7]，来自福建浙江等地的果大棱宽型水栀子[8]等。采用数量分类的研究方法对这些丰富的栀子栽培品种进行分类研究，可以探索栀子品种的分类等级和分类标准，并且为栀子品种间亲缘关系、形态分类和品种选育研究提供参考依据。【前人研究进展】前人对栀子不同类型尤其是果用栀子进行的整理归类做了大量工作，如从栀子的形态分类，将道地主产区江西省的栀子分为25个类型[5]。结合表型等参数，周昌华等[3]对川产山栀子进行了种质分类和筛选，刘若楠[6]对农家栽培的栀子品种的性状及化学成分进行了详细研究，结合主成分分析法对栀子不同品种进行综合分类评价。邓绍勇等[9]对栀子品种进行规范描述和科学命名，系统整理出栀子品种15个，初步解决了栀子种的等级名称使用混乱的问题。但以往对栀子品种的分类研究总体上还存在品种的归类不够系统全面，品种分类性状较少，分类的主观性较强，准确描述和界定的栀子品种较少，也没有划分品种群，栽培品种和近缘种的亲缘关系不明确等诸多问题。【本研究切入点】以数量分类的方法来对植物品种进行分类，能够把主观的定性描述变成更加客观的定量分析，把大量的形态性状进行全面的综合分析，能使植物品种的分类更加科学准确[10]，已经成功应用于木槿[11]、梅花[12]、石榴[13]、紫薇[14]、桂花[15]、木瓜属[16]、蜡梅[17]等的品种分类研究，栀子属植物在我国有着悠久的栽培历史，栀子品种资源也极其丰富，把这种客观的、定量的数量分类方法应用到栀子品种分类中来是很有必要的。【拟解决的关键问题】本研究对20个栀子品种及2个近缘种的表型性状进行聚类分析和主成分分析，旨在分析其亲缘关系，并对各性状之间的内在联系和主要分类指标进行探讨。研究结果有助于探讨品种之间、品种与近缘种之间的亲缘关系，有助于探索栀子品种的分类等级和分类标准，有助于解决品种的来源及演化问题，可以为栀子品种资源的保护利用及品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料来源于四川、广西、湖南、江西、浙江和福建等省，栽植于江西省林业科学院中药资源圃内，共有栀子20个栽培品种[9]和2个近缘种（表1）。并以它们作为数量为分类运算单位（operational taxonomic unit，OTU）。

表1 试验材料编号、名称及来源Tab.1 The code，name and origin of Gardenia materials

1.2 性状和编码

1.2.1 性状观测 每个品种选取3株健康单株作为目标植株并挂牌做好标记，于盛花期随机抽取目标植株的10朵花观测花部性状，随机抽取目标植株树冠顶部成熟叶片10片观测叶部性状，于果实成熟期随机抽取目标植株的10个果实观测果实性状[11]。数量性状一般使用游标卡尺测量，如果宽、叶宽、柱头长等；部分数量性状及质量性状直接目测，如花瓣数、萼齿数、成熟果色、初开花瓣主色、花蕾顶部形状等。数量性状最终取10次观测结果的平均数。

1.2.2 性状选取和编码 根据栀子栽培品种及近缘种的表型性状观测结果，选取能代表种及品种特性的叶、花、果各部位共计32个性状进行编码处理。性状编码采用等级数量编码方法[13]，多态性状如初开花瓣主色、盛花期、开花次数、花蕾顶部形状、座果率、果成熟期、果成熟颜色、叶片皱缩程度、叶片次色位置等取非负整数“1”、“2”、“3”、“4”、“5”……进行编码，若性状非人为因素缺失则编码为“0”（表2）；数量性状数据，如果宽、叶宽、柱头长、花瓣数、萼齿数等，按实际观测值参与数量化运算。

1.3 数据处理方法

采用SPSS23.0软件对数据进行分析处理。首先对32个性状进行R型聚类分析，度量标准选用Pearson系数，聚类方法选用最远邻元素法，做出各性状指标相似性聚类的树状图；剔除无变异的数量性状萼齿数后，采用主成分分析法，对剩余各性状指标进行降维分析；根据R型聚类和主成分分析结果，接着对剩余性状数据进行标准化（STD）处理后，再对栀子属20个品种和2个近缘种进行Q型聚类分析，度量标准选用平方Euclidean距离，选用最远邻元素法进行系统聚类，并做出分类结果树状图[11-12，16]。

表 2 性状及编码Tab.2 The characters and codes

2 结果与分析

2.1 栀子品种和近缘种性状指标的R型聚类

对栀子20个品种和2个近缘种的32个性状进行R型聚类分析，结果由树状图（图1）可知，相关性较大的有叶片性状的叶长和叶柄至最宽处长（r=0.969），花部性状的花总萼长和花萼齿长（r=0.986），果实性状的总果长、果萼齿长和果总萼长（r≥0.928）。因此，后续Q型聚类分析考虑保留相关性较大的两个性状其中之一，结合栀子属性状特征，剔除叶柄至最宽处长、果萼齿长、花萼齿长，增加叶柄至最宽处长和叶长之比，保留叶长、总果长、花总萼长和果总萼长。R型聚类图中的其它各性状指标聚类情况比较分散，由此说明这些性状的选取是合理的，均保留用于下一步的Q型聚类分析。

图1 R-型聚类分析Fig.1 Dendrogram of R-type clustering analysis

2.2 栀子品种和近缘种性状指标的主成分分析

由主成分分析结果（表3）可知，位列前7的主成分累计贡献率为89.541%。其中第1主成分的贡献率为39.74%，影响较大的都是果实性状，包括果总萼长、果萼齿长、总果长、果宽、棱宽、成熟果色，其特征向量绝对值均在0.870以上。第2主成分的贡献率为20.513%，影响较大的都是花部性状，包括花冠裂片长、花冠裂片宽、盛花期、花瓣数，其特征向量绝对值均在0.609以上。第3主成分的贡献率为10.252%，影响较大的性状是花柄长、花萼齿长、叶片次色位置，其特征向量绝对值均在0.531以上。第4主成分的贡献率为6.89%，影响较大的性状是开花次数、叶片次色位置、叶色种数、子房长，其特征向量绝对值均在0.436以上。第5主成分的贡献率为4.78%，影响较大的性状是初开花瓣主色、座果率、果成熟期，其特征向量绝对值均在0.396以上。第6主成分的贡献率为4.024%，影响较大的性状是花药长、盛花期，其特征向量绝对值均在0.437以上。第7主成分的贡献率为3.343%，影响较大的性状是初开花瓣主色，其特征向量绝对值为0.345。第1至7主成分中影响较大的主要是果实和花部性状，尤其是第1、2主成分。叶片性状仅有叶片次色位置和叶色种数两个性状分别在第3、4主成分中有较大影响。

表3 主成分的特征值、贡献率和累计贡献率Tab.3 Eigenvalues，contributor ratio and accumulative contributor ratio of the principal components

2.3 栀子20个品种和2个近缘种的Q型聚类

根据Q型聚类树状图（图2）可知，在等级结合线L1（D=22.5）处，栀子20个品种和2个近缘种被分为2大类，第1类为所有的7个重瓣品种和唯一的1个初开花瓣为金黄色的单瓣品种，包括“白蟾”、“荷花”、“雀舌栀子”、“小白蟾”、“银边雀舌”、“花叶栀子”、“燃叶”、“金花栀子”。第2类为所有的13个单瓣品种和2个近缘种；在等级结合线L2（D=15）处，20个品种和2个近缘种被分为3大类，第1类为“金花栀子”，第2类为所有的7个重瓣品种，第3类为所有的13个单瓣品种和2个近缘种；在等级结合线L3（D=10）处，20个品种和2个近缘种被分为5大类，第1类为“金花栀子”，第2类为花径较大的重瓣品种“荷花”和“白蟾”，第3类为花径相对较小的“雀舌栀子”、“小白蟾”、“银边雀舌”、“花叶栀子”和“燃叶”，第4类品种普遍表现为果实、叶片较大，主要为传统概念的水栀子品种，即“金福水栀”、“水栀子”、“天顺栀子”、“元宝”、“宽棱水栀”，以及“银盏”和“大花栀子”。第5类包括2个近缘种和5个普遍表现为果实、叶片相对较小的品种；在等级结合线L4（D=6.5）处，20个品种和2个近缘种被分为7类，第1类为“金花栀子”，第2类为花径较大的重瓣品种，第3类为花径相对较小且花叶的品种“银边雀舌”、“花叶栀子”和“燃叶”，第4类为花径相对较小，叶绿色的品种“雀舌栀子”、“小白蟾”，第5类主要为传统概念的水栀子品种，第6类为每年开花次数多于2次的品种“香雪”和“圆叶”，第7类为2个近缘种栀子、狭叶栀子和3个果实、叶片相对较小的品种。

图2 Q-型聚类分析Fig.2 Dendrogram of Q-type clustering analysis

3 结论与讨论

栀子属主要以栀子人工栽培为主且历史悠久[18]，人们习惯将栀子分为果用栀子和观赏用栀子（栀子花）两大类，果用栀子又可分为药用栀子（山栀子）和色素用栀子（水栀子）[9]。前人对栀子不同类型尤其是果用栀子进行的整理归类做了大量工作，如从栀子的形态分类，将道地主产区江西省的栀子分为25个类型[5]。结合表型等参数，周昌华等[3]对川产山栀子进行了种质分类和筛选，刘若楠[6]对农家栽培的栀子品种的性状及化学成分进行了详细研究，结合主成分分析法对栀子不同品种进行综合分类评价。在参考前人对栀子分类性状选择的基础上，本研究以栀子属20个栽培品种和2个近缘种为材料，观测其叶、花、果的32个形态学性状，从数量分类视角对其进行分类研究。

通过对栀子品种及近缘种性状指标进行R型聚类，除花和果的总萼长、萼齿长、果长、叶长与叶柄至最宽处长这些性状相关性较大外，其它大部分性状相对独立。主成分分析显示，影响力较大的性状有果总萼和萼齿长、果长和宽、棱宽、成熟果色、花冠裂片长和宽、盛花期、花瓣数等。对性状指标的R型聚类是对研究选取性状合理性的有效评价，而主成分分析是从众多个性状指标中找出品种间主要性状差异的有效方法，是在尽可能多的反映原始数据资料信息前提下，对性状指标信息进行简化的有效手段[11]。综合而言，果萼、果径、果棱、果色等果实性状以及花径、花瓣数、花期等花部性状是今后栀子品种形态分类中应该重点关注的性状指标。

Q型聚类结果能较好的将果实、叶片较大即传统概念的水栀子品种“金福水栀”、“水栀子”、“天顺栀子”、“宽棱水栀”等聚集在一起，将花重瓣的即传统概念的栀子花品种“荷花”、“白蟾”、“雀舌栀子”、“小白蟾”、“银边雀舌”、“花叶栀子”和“燃叶”等聚集在一起，将果实相对较小的品种“香雪”、“圆叶”、“球果栀子”、“纵横”、“分关1号”和两个近缘种狭叶栀子、栀子聚集在一起。由此可见，采用数量分类的方法对栀子品种进行分类的结果与传统的形态分类结果基本一致，能较好的支持形态分类，也能在一定程度上较好的反映出品种间的亲缘关系，说明本研究分类性状的选取比较合理，且花色、花径、重瓣性、果实和叶片大小、叶色、开花次数等性状在聚类分析中起着重要作用。研究结果有助于探讨品种之间、品种与近缘种之间的亲缘关系，有助于解决品种的来源及演化问题，可以为栀子品种资源的保护利用及品种选育提供理论依据。

数量分类主要以表型性状为分类依据的分类方法，在性状的选取、编码等方面存在较强的主观性[15]。单从叶片形态看，栀子品种“雀舌栀子”、“银边雀舌”和狭叶栀子表型较为相近，在花瓣数、叶片次色位置、叶色种数及果实等性状去除后，栀子品种“雀舌栀子”、“银边雀舌”和狭叶栀子确实聚集在了一起，表现出较近的亲缘关系。但在本研究中，综合叶、花、果等各方面的来源不同的性状指标进行聚类时，它们并未聚集在一起，研究结论对认识栀子品种之间、品种与近缘种之间的亲缘关系有较大的参考价值。并由此可见，数量分类的结论作为一种总体把握的分类体系，虽然有它的优势，但也表现出一定的局限性，性状的选取等一些人为的主观因素还是会影响到最终的结果，今后的研究还可以在形态分类、数量分类的基础上，结合分子标记等手段来进行品种系统分类和亲缘关系研究[10-11]。