荷花品种的花器官表型性状及花色多样性分析

吴芳芳， 原鑫， 苏少文， 贺丹， 刘艺平， 孔德政

(河南农业大学林学院，河南 郑州 450002)

荷花(NelumboSP.)又名芙蕖、莲花，是莲科莲属多年宿根的挺水花卉。荷花是中国栽培历史悠久的名花之一，不仅花姿优雅、品种繁多，而且具有很高的文化价值及观赏价值，深受广大人民的喜爱[1-2]。目前，荷花成为全世界栽培较广的观赏水生植物之一，有2 000余个品种，其中新品种有300余个[3-4]。由于长期广泛采用栽种和引种 、选择育种以及辐射育种等不同手段，形成了繁杂的品种和类型。但关于荷花品种分类的研究还主要是依据目测和描述，在研究众多的变异品种分类时存在一定的局限性。如清代杨忠宝[5]的《缸荷谱》荷花品种，以花色为分类标准分为大红、水红、银红、爪红、白、洒锦、锦边等7类；王其超等[6]的《中国荷花品种图志》中按花色分为红、粉、白、洒金、黄等 5 色系，对于荷花色系划分较为简略，且未对各品种之间的花色明确界定。在荷花品种保护和花色分子育种等科学研究中需要对荷花表型进行科学定义。因此，有必要在传统的分类基础上，建立一个更加科学的表型数量分类方法。表型是植物形态特征的组合，是其遗传变异的表型特征[7]。表型多样性是由环境多样性和遗传多样性共同作用形成的结果，是植物质量性状的重要鉴定依据，广泛应用于种质资源鉴定、分类及选择育种等科学研究[8-9]。花色是观赏植物重要的表型性状，也是品种分类的重要依据[10-12]。荷花种质资源丰富，各品种的观赏特征各不相同，仅以定性描述对荷花品种分类较为粗略。CIELab标准色空间在植物色彩研究领域广泛的应用使得花色表型的数量化表示更为精准，对于观赏类植物的品种鉴定具有实际意义。在小苍兰[13]、观赏海棠[14]、 蝴蝶石斛兰[15]、菊花[16]等植物中已广泛运用，证实了其科学性。本研究选择了24个健壮生长、性状稳定的荷花品种进行露地栽培并进行表型性状的观测与记录，同时使用色差仪对荷花品种进行了花色测定，最后对表型和花色聚类结果分析，旨在为荷花品种的分类与花色品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从河南农业大学荷花种质资源圃收集保存的荷花资源中随机选取具有代表性的24个早、中和晚期的荷花品种(花期是由首次开花到最后一朵花开花的时间段，参照国际莲属品种登记表的相关标准定义6月6日采集的荷花品种为早期，6月26日采集的荷花品种为中期，7月16日采集的荷花品种为晚期)(表1)；花色表型的测定为定性描述。供试材料均经多年自交，稳定遗传。于2019年5月开始连续进行表型性状的测定。

表1 供试荷花品种Table 1 Lotus cultivars tested

1.2 试验方法

1.2.1 荷花表型性状测定 将24个荷花品种于2019年4月种植于河南省驻马店荷花资源圃，管理按照常规方法统一进行。参照国际莲属品种登记表的相关标准在荷花生长期(5-9月)，选取生长一致、健壮的植株，测定并记录3个数量性状(花冠直径、花瓣数、雄蕊数)和2个质量性状(花型、花蕾色)并进行荷花品种表型遗传多样性分析。每个品种选取10株，每株每个指标测定3次，取平均值。所有描述型性状均参照《莲种质资源描述和数据标准》[17]进行观测和测定，即荷花花型变异范围和级别分为：1级代表半重瓣(花瓣数为20～59)，2级代表重台(花瓣数为70以上且心皮大多数瓣化)，3级代表重瓣(花瓣数为70以上)；花蕾色变异范围和级别分为：1级代表绿色，2级代表红绿色，3级代表红色。

1.2.2 花色测定 在荷花盛花期采集不同品种荷花的花瓣，带回室内进行花色指标的测定。使用便携式分光色差仪(NF555, Nippon Denshoku Industries Co. Ltd., Japan)的集光孔对准花瓣中部进行测定，每个品种的花色重复测定3次，记录参数，包括色彩亮度L*值、色相a*值和b*值、彩度C*和色相角值h，最终取平均值代表花瓣颜色。

1.3 数据处理

在表型性状数据统计中，使用Excel软件对记录的试验数据进行处理；不同品种间性状的差异用变异系数表示，遗传多样性指数的计算采用Shannon-Weaver信息指数

计算公式：H’=- ∑PilnPi

式中：Pi为某一个性状第i个级别出现的概率。

运用SPSS软件进行数量性状单因素方差分析；采用Euclidean距离、Ward法进行聚类。在花色数据统计中，利用SPSS软件对CIE表色系统的L*、a*和b*值使用最远邻近法进行聚类分析；使用Origin Pro 9.0软件作荷花花色分布图。

2 结果与分析

2.1 荷花品种表型性状遗传多样性分析

供试的24个荷花品种的5个表型性状多样性情况见表2，遗传多样性指数(H’)的变化范围为4.41～4.55，平均值为4.50。其中花型(4.55)的多样性指数最高，主要是重台(16.67%)和重瓣(79.17%)；雄蕊数的多样性指数最低(4.41%)。总体来说，荷花的5个表型性状间遗传多样性指数均较高，但是不同性状之间的差异性不大，表明荷花5个表型性状存在着丰富的表型多样性。荷花品种的数量性状变异系数变化范围为19.93%～47.94%。其中雄蕊数的变异系数最大，为47.94%，

表2 24个荷花品种花器官表型性状比较Table 2 Comparison of flower organ phenotypes of 24 lotus cultivars

注：同列中不同的小写字母表示在0.05水平上差异显著。

Note: Different lowercases in the same column indicate the significance at 0.05 level，respectively.

花瓣数的变异系数较大，为35.49%，花型的变异系数最小，为19.93%。说明花冠直径的变异幅度较小，稳定性较高，雄蕊数相对变异较大，稳定性较差。研究发现，花冠直径、花瓣数和雄蕊数中花冠直径在群体间F值最大(79.27)；其次是花瓣数的群体间F值(52.35)；雄蕊数的群体间F值最小(40.48)。

2.2 荷花品种表型性状聚类分析

基于荷花花器官表型性状，对24个荷花品种进行聚类分析。结果表明，在欧式距离10处，供试品种被分为4大类( 图1) ，每个类群的均值及变异系数参见表3。第Ⅰ大类包含天地红、火炬、翡翠、瑰丽和红领巾5个品种，占供试品种的20.83%。其主要特征是变异系数均较低，花冠直径(11.50)，花瓣数(71.80)、雄蕊数(47.07) 也均较低；第Ⅱ大类包含太空娇容、红莺、粉桃、秋色、粉红重瓣、晚霞、紫光阁、南阳黄和红绣球9个品种，其主要特征是花瓣数在4个类群中较高(117.26)，变异系数最低(12.76%)，雄蕊数较高(55.59)，变异系数最高(30.38%)；第Ⅲ大类包含新披针红、海南、铍针粉、红云、新云锦、红重中型、素雅和新深情8个品种，其主要特征是花冠直径最大(16.58)，雄蕊数最多(99.71)、变异系数(17.61%)最小；第Ⅳ大类包含粉龙莲和友谊牡丹2个品种，其主要特征是花瓣数最多(223.50)，雄蕊数最少(15.17)。

24个品种编号 No. of 24 cultivars

表3 24个荷花品种各类群表型性状的特征Table 3 Characteristics of phenotypic traits in

2.3 荷花品种花色聚类分析

依据所测得Lab值对荷花颜色进行系统聚类分析，在分类距离5处可将24个荷花品种的花色表型聚为6类(图2)，各类情况如下。

Ⅰ类：包括红重中型、新披针红、晚霞、天地红和瑰丽5个品种，占总数的20.83%，为红色系(红色和深红)；Ⅱ类：包括粉红重瓣、紫光阁、红绣球、红领巾、火炬、红云、新深情和海南8个品种，占总数的33.33%，为粉红色系(深粉、粉紫)；Ⅲ类：包括铍针粉、粉桃、太空娇容和红莺4个品种，占总数的16.67%，为粉紫色系(中粉)；Ⅳ类：仅包含粉龙莲1个品种，占总数的4.17%，为浅粉色系；Ⅴ类：包括新云锦、素雅、秋色、友谊牡丹和南阳黄5个品种，占总数的20.83%，为白色系(白色、淡绿色)；Ⅵ类：只包括翡翠1个品种，占总数的4.17%，为黄色系(淡黄色)。

CIELab表色系统的颜色模式测定结果表明，荷花花色在CIELab表色系统坐标系上分布较为广泛，其中粉紫色在整个荷花品种群中分布数量最多。L*值范围44.14～87.25，其中白色系的L*值最大，红色系的L*值最小；a*值范围为-8.69～44.28，变异较大，虽然粉紫色、粉红色和红色系中的a*值重叠，但可通过L*值进行区分；b*值为-9.77～21.29，白色系的b*值均大于零，且白色系品种的b*值明显大于其他色系；彩度C*值为9.47～42.80，其中红色系的彩度C*值最大；色相角h值为109.39～354.42，其中白色系的色相角h值相对较小，红色系的色相角h值相差不大(表4)。

24个品种编号No. of 24 cultivars

注：Ⅰ. 红色系；Ⅱ. 粉红色系；Ⅲ.粉紫色系；Ⅳ.浅粉色系；Ⅴ.白色系；Ⅵ.黄色系。

Note: Ⅰ. Red group; Ⅱ. Pink red group; Ⅲ. Pink purple group; Ⅳ. Light pink group; Ⅴ. White group; Ⅵ. Yellow group.

图2L*、a*和b*的24个荷花品种花瓣的花色表型聚类分析

Fig.2 Cluster analysis of flower color of 24 lotus petalcultivars based onL*，a*andb*

表4 24个荷花品种的花色表型聚类分析结果Table 4 Cluster analysis results of flower color of 24 lotus cultivars

2.4 荷花品种花色表型分布特点

在a*和b*二维象限图上，荷花品种的花色主要集中在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限，第Ⅲ象限处没有分布( 图3-A)。其中，第Ⅱ象限主要分布的是白色和黄色系，第Ⅰ象限分布的是浅粉色系，第Ⅳ象限种质资源数量分布最多，主要是粉紫色、粉红色和红色3个色系。从L*、a*和b*值的三维散点图中可以看出，各色系呈三维带状分布(图3-B)。

注：1.白色系；2.黄色系；3.浅粉色系；4.粉紫色系；5.粉红色系；6.红色系

3 结论与讨论

表型性状的描述和鉴定是荷花种质资源最基本的研究方法和途径，也是进行种质资源分类的重要依据之一[18-21]。本研究对24个荷花品种花器官5个表型性状的多样性进行分析，遗传多样性指数(H’)的变化范围为4.41～4.55，其中多样性指数最高的是花型，花蕾色、花型、花冠直径、花瓣数、雄蕊数的遗传多样性指数均在4.0以上；表型性状的变异系数范围为19.93%～47.94%，平均变异系数为32.78%。其中花冠直径的变异系数最小(CV=26.03%)；雄蕊数的变异系数最大(CV=47.94%)。孙铭等[22]研究表明，一般变异系数大于10% 表示品种间差异较大，本研究中所选取花器官5个表型性状的变异系数均大于10%，说明这24个荷花品种之间遗传基础较广，具有较丰富的遗传差异，有利于特异种质材料的比较和筛选，为荷花种质资源遗传改良和育种奠定了基础。

通过对荷花品种的花器官5个表型性状进行聚类分析，将24个荷花品种划分为4大类，表型性状相似的品种聚在一起。由于粉龙莲和友谊牡丹( 花瓣数最多，雄蕊数最少) 相对于其他品种具有特殊的表型，这2个品种被单独聚在第IV类群。这些研究结果可以为荷花种质资源鉴定、新品种的定向选育提供理论依据。

本研究发现依据定向描述对荷花花色分类不能完全表征植物花色的分布特点，如发现黄色花色的翡翠品种被分散在白色系品种中，浅粉色花色的粉龙莲分散在粉紫色系品种中。结合Lab色差仪测色法进行分析，结果将荷花花色分为6类( 白色、黄色、浅粉色、粉紫色、粉红色和红色系)。研究发现，不同荷花品种花色的Lab值存在一定的差异，且各品种花色类型都有其相对应的L*、a*和b*值范围，可以根据其范围对不同色系进行客观区分，较符合荷花花色表型特点。王玉蛟等[23]使用色差仪对芍药品种花色表型值测定，其明度结果L*由高到低分别是白色系、黄色系、粉色系、紫色系、红色系和墨色系；吴静等[24]对紫斑牡丹花色 表型研究中，其明度结果L*值由高到低分别是白色系、黄色系、浅粉色系、粉色系、蓝色系、红色系、紫色系和黑色系。本研究对荷花品种花色表型分析时，得到了与上述相似的结果，即其结果明度L*由高到低分别是白色系、黄色系、浅粉色系、粉紫色系、粉红色系和红色系。本研究还发现荷花品种在a*和b*二维象限图中，主要分布在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限内，在第Ⅲ象限上没有分布；韩江南等[25]对中原牡丹品种的花色研究中同样发现94个中原牡丹a*和b*色相坐标第Ⅲ象限上没有分布，主要分布在Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限；在菊花品种花色分类研究中也是相同的结果[26]。荷花品种分布在蓝绿区间外的各个色空间，可能是因为不同品种中的花色素种类和含量不同所致[27-29]。粉莲型、红莲型荷花花色主要由花色苷的矢车菊素苷决定的，随着其含量的升高，花色明度降低，因此荷花缺少鲜艳的红色品种；而黄莲型、白莲型荷花花色是由黄酮类的色素决定的，因化合物种类、含量分布决定黄色或偏白色的花色表现[30-31]。

通过对荷花品种形态性状聚类分析，明确了荷花品种的不同类型。在此基础上，结合花色表型数量进行分类，可以较好地区分不同品种间的过渡花色，为荷花选择育种提供可靠的理论依据。同时筛选出性状差异较大的不同品种材料，为荷花育种工作提供了丰富的原始材料。