楸树不同单株花性状变异分析

麻文俊 杨桂娟 王军辉* 赵 鲲

(1.中国林业科学研究院林业研究所，林木遗传育种国家重点实验室，国家林业和草原局林木培育重点实验室，楸树国家创新联盟，北京 100091； 2.洛阳农林科学院，洛阳 471002)

园林观赏新品种选育是楸树的重要育种方向之一。目前进行林木新品种选育最常用的两种方法为：一是通过自然选优，可以对现有资源中的优良观赏品种进行选择、驯化，如红花槭(Acerrubrum)、地涌金莲(Musellalasiocarpa)、海棠(Malusspectabilis)、樱桃(Cerasuspseudocerasus)[1～4]等获得了大量观赏新品种；二是杂交育种[5]，可以获得理想的花色、株型等，目前已在紫斑牡丹(Paeoniarockiivar.papaveracea)、月季(Rosachinensis)、菊花(Dendranthemamorifolium)、百合(Liliumbrowniivar.viridulum)、紫薇(LagerstroemiaindicaL.)、玉兰(Magnoliadenudata)[6～12]等草本和木本观花植物研究中取得了较好的效果。

楸树(Catalpabungei)为紫葳科(Bignoniaceae)梓树属(CatalpaScop.)，原产我国，分布范围广，在河南、安徽、江苏、山西、陕西、山东、河北、北京等省市均有分布；至今已有2 600多年的栽培历史[13]，是我国著名的优质珍贵用材和园林观赏树种，目前在园林景观方面已有大量的应用。但是，相对于其他树种，楸树观赏品种的培育严重滞后，还未见观赏品种培育的相关报道。楸树为木本乔木树种，其培育周期较长，选育较为困难，作为重要观赏性状的花色相关研究，例如花色的分布、花色遗传等方面，未见相关的研究报道。本文在进行连年花性状观测的基础上，对不同单株的9个质量与数量性状进行调查测定和统计分析，旨在揭示花表型性状在楸树种内存在的巨大变异，为新花色育种和优良观花新品种的选育及新品种的鉴定和保护提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验地概况

本研究所利用的楸树优树无性系是1985～1990年在全国收集的楸树优良单株无性系化后，于1993年在河南省洛阳市偃师市虎头山森林公园(112°26′E，34°27′N)造林，试验设计为2株小区，4次重复。由于保存不善，目前只剩1个重复，经疏伐后每个无性系只保留了1株。该地气候属于典型的暖温带大陆性季风气候，海拔200 m，年均气温15℃，极端最高气温40.4℃，极端最低气温-20.2℃，年降雨量630 mm，土壤为潮土。

1.2 方法

调查的质量性状包括：花色、雄蕊育性；数量性状包括：花枝长度、花序长度、单花枝花数、相对花粉量、花上唇长度、下唇长度和花冠直径(其长度与直径均精确到0.1 cm)。

2008年5月3日，当开花达到盛花期时，在试验林中对27株开花植株分别从树冠各部位均匀选择25个花枝(由于每个单株开花数量不同，所以部分单株调查数量较少)，每个花枝随机调查2朵花。首先，数单花枝花数；然后，判断雄蕊育性，判断方法为肉眼观察成熟开裂的花药中是否有花粉，无花粉为败育，有花粉为可育，按花粉量多少分为多和少两级；最后，用直尺测定花枝长度、花序长度、花上唇长度、下唇长度和花冠直径，精确到0.1 cm。

2010年5月7日在试验林中选择花量较大的16个单株进行花色测定。在每个单株树冠中上部朝南方向随机选取不同枝条上的30朵花，用CR-400型色差计(柯尼卡美能达)测定花的L*、a*、b*值，L*为亮度值，色相值分别是a*值和b*值。L*数值范围为0～100，随数值升高，表示明度由暗变亮逐渐增加；色相a*值的范围为-60～60，随数值的增大绿色减退，红色增强；色相b*值的变化范围为-60～60，随数值的增大蓝色减退，黄色增强；通过公式C*=(a*2+b*2)1/2和h=arctan(b*/a*)计算出彩度C*和色相角h。彩度C*是表述色彩的鲜艳程度的变量。从a*轴正半轴开始，色相角顺时针旋转，依次经过轴的负半轴、a*轴的负半轴、b*轴的正半轴，再回到a*轴的正半轴，相对应的颜色变化是从红色到蓝色，经过绿色、黄色，最终回到红色。测定部位为花冠上唇外部，每朵花测定3次，取其平均值。

1.3 数据统计分析

表型变异系数(CV)：表型性状间的离散程度。

(1)

以单花平均值进行单因素方差分析，用Excel 2007和SPSS 16.0进行数据整理、方差分析[15]和图表制作。

L*、a*、b*值标准化处理：对L*、a*、b*值分别进行标准化处理。

(2)

式中：xi为第i株测定值，xmin为最小值，xmax为最大值。

聚类分析：数据标准化后，运用MultiExperiment Viewer(MEV4.6.0)软件，以Hierarchical clustering方法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 楸树花期和花特征

楸树优树无性系试验林于2002年开花，至2005年后开花趋于稳定，经连续6年的观察发现不同单株的花色、育性差异较大，且单株花期可以持续10 d以上，花期为4月下旬至5月上旬。在3片试验林中开花最早的无性系与开花最晚的无性系开花时间相差可达5 d。因此，依据不同无性系的遗传差异和水肥调控措施，通过多无性系搭配的方式可以使群体花期达到15 d左右。

楸树花冠为钟状，檐部5裂，上唇3瓣，下唇2瓣，唇瓣为白色，唇瓣上密布紫红色斑点，不同单株花冠紫色斑点分布数量和密度不同，导致花颜色差异分化(由白色至红色)。不同单株花大小、花序长短和单株开花量，均有较大差异，并且由于叶柄长度、花枝长度在基因型间具有较大差异，致使不同单株表现出显花和隐花的特征(如图1所示)。

2.2 不同单株雄性育性差异

对试验林中开花的27个单株进行雄蕊的育性和花粉量调查(见表1所示)。楸树为二强雄蕊，其中12个单株的雄蕊是可育的，其余15个败育。观察每个单株的花粉量，在现场比较，可以依据花粉量的多少将12个可育单株划分为多和少两类，其中5-8、6-7、6-8、7-8、7-9、7-10、8-1和8-7的花粉量较多，而其他4个单株的花粉量较少。

表1 不同单株育性调查

注：“—”表示没有花粉，花粉量是经过对比判断的相对量。

Notes:“—” means without pollen,pollen quantity is relative quantity of different individuals.

图1 不同单株花色及开花量的多样性 A.单花颜色对比；B.花序颜色对比；C.单株花色对比Fig.1 Flower color and number of flower diversities of different individuals A.Single flower colour contrastion; B.Inflorescence colour contrastion; C.Individual tree flower colour contrastion

2.3 不同单株花序长度、花枝长度和单花序花数差异

花枝长度(F=12.447**)、花序长度(F=9.068**)，以及单花枝花数(F=19.214**)在单株间均存在极显著差异(详见表2)。不同单株花枝长度平均为13.6 cm，变幅为10.7～16.4 cm；花序长度平均为7.7 cm，变幅为5.6～9.6 cm，最长的是6-8，最短的是1-1；单花枝花数最多的是6-2和8-12，为13朵。单花枝花数的变异程度最高，表型变异系数为36.7%，花枝长度和花序长度的表型变异系数分别为12.8%和12.5%。

2.4 花大小变异

楸树花上唇长度大于下唇。以上唇长度、下唇长度和花冠直径来表征花的大小，对27个开花单株的测定结果见表3。不同单株的花上唇长度(F=39.534**)、下唇长度(F=66.324**)和花冠直径(F=49.329**)差异极显著。上唇长度和下唇长度平均值分别为4.6和3.7 cm，变幅分别为3.8～5.2 cm和3.0～4.3 cm；花冠直径平均为4.6 cm，变幅为3.9～5.4 cm。由表3可知，花较大的基因型为6-8、8-7、8-11、8-12、8-13，较小的则是9-13、10-3、10-4、10-5。

表2 不同单株花枝长度、花序长度和单花枝花数差异

Table 2 Length of flowering branch and floral, flower number of single flowering branch of different individuals

单株Individuals花枝长度Length of flowering branch(cm)花序长度Length of floral(cm)单花枝花数Flower number of single flowering branch1-111.4±0.386ab5.6±0.264a6±0.417abcdef3-211.3±0.569ab5.8±0.300a6±0.653abc3-313.5±0.347efgh8.2±0.252defg12±0.657defg3-413.3±0.333defg7.1±0.277bc7±0.370abcde5-816.2±0.733lm8.7±0.391fgh6±0.497g6-215.1±0.687hijklm8.8±0.309fgh13±0.830i6-313.5±0.397efg7.4±0.292bcd10±0.564h6-715.4±0.380ijklm8.1±0.306cdefg9±0.480g6-814.4±0.409fghijk9.6±0.418h8±0.402efg7-814.3±0.316fghij7.6±0.250bcde9±0.416g7-911.9±0.531abcd7.0±0.452b3±0.449abcd7-1011.2±0.774ab7.0±0.455bc9±0.744abcdef7-1312.5±0.503bcde7.0±0.310bc6±0.503bcdef7-1414.4±0.281fghij8.5±0.332efg9±0.437abcdef8-113.8±0.430efghi9.0±0.313gh11±0.599j8-413.0±0.331cdef7.2±0.270bcd5±0.347abc8-511.6±0.329abc7.2±0.246bcd6±0.353abcdef8-711.7±0.301abc6.9±0.251b6±0.373a8-1114.8±0.454ghijkl7.4±0.282bcd9±0.425abc8-1216.1±0.422klm8.7±0.320efgh13±0.438cdef8-1316.4±0.779m8.6±0.330efgh4±0.401abcdef8-1415.4±0.609ijklm7.2±0.241bcd8±0.262abc9-314.7±0.407ghijkl8.8±0.297fgh8±0.245cdef9-1315.7±0.384jklm8.5±0.235efgh9±0.340fg10-314.6±0.442fghijkl7.8±0.264bcdef12±0.472abcdef10-411.7±0.382abc7.9±0.269bcdef6±0.378abc10-510.7±0.294a6.9±0.182b2±0.433ab均值Mean13.67.78最大值Max16.49.613最小值Min10.75.62表型变异系数CV(%)12.812.536.7F12.447**9.068**19.214**

注：**表示不同单株在0.01水平上存在显著差异，小写字母表示多重比较结果，下同。

Notes:**means the significant difference between different individuals underP<0.01,lowercase means the result of multiple comparison, the same as below.

图2 基于CR-400型数据的花色二维、三维分布图Fig.2 The 2D and 3D distribution plots of 16 varieties based on the CIELAB data

图3 彩度C*和亮度L*之间的关系Fig.3 The relationship between C* and L* values in flowers

图4 花色聚类分析Fig.4 The result of cluster analysis of flower color

2.5 不同单株花色变异及聚类分析

16个单株花色的二维和三维分布如图2所示。L*(F=137.911**)、a*(F=95.515**)、b*(F=37.894**)、C*(F=98.861**)和h(F=10.442**)值在单株间均存在极显著差异，色相a*、b*以及彩度C*的表型变异系数分别为35.1%、52.5%和29.8%，由此说明不同单株的花色差异极显著。

对花的彩度C*和亮度L*进行相关性分析(如图3所示)。彩度C*和亮度L*呈负相关关系，亮度L*越大，彩度C*越小，表明楸树的花瓣越亮，则花瓣所吸收的光线越少。

以L*、a*、b*值对不同单株进行聚类分析(如图4所示)。采用欧氏距离为15时可将16个单株聚为3类：第一类花为红色系，包括7-10、8-6、8-11、8-12、8-13和11-1；第二类花为粉红色系，包括5-11、6-7、6-8、7-13、8-5、8-14、9-14和10-3；第三类花为白色系，包括5-6和5-8。

3 讨论

种质资源是进行优良观赏新品种培育的基础。只有对资源具有深入、全面的了解，才能针对培育目标，通过天然选优或杂交育种等方法获得理想的观赏品种。因此，各个国家均十分重视观赏植物种质资源的收集、研究工作，并取得了丰富的成果。张艳丽等[16]研究表明，滇牡丹(PaeoniadelavayiFranch)花色丰富，呈白色至暗红色的连续变异；利用英国皇家园艺学会比色卡(RHSCC)和分光色差仪测定法，将36份观赏向日葵(HelianthusannuusL.)的花色分为两大类，即黄色系和红色系[17]；而夏蜡梅(CalycanthuschinensisCheng et S.Y.Chang)花色(外被片颜色)表现为白、浅粉、粉、粉红4种类型[18]。楸树为落叶乔木，经选优或杂交育种所得优良品种栽植后一般4～6年即可开花。由于以往研究重点更关注于楸树优良用材新品种的选育，而对观赏新品种的研究较少，基础相对薄弱，因此，开展楸树种内花性状和花期物候的变异研究显得尤为重要。对楸树优良单株的花性状研究表明，27个基因型的花枝长度、花序长度、花大小差异极显著，16个单株的花色也具有明显的差别。依据亮度值(L*)、色相值(a*和b*)进行聚类分析，当欧氏距离为15时可将16个单株聚为3类，红色系、粉红色系和白色系。这一结果与我们连续6年的观察结果相一致。这一研究结果与分生态区试验相结合，成功选育出3个优良观花新品种，分别是红色系的“朝霞”(8-11)、粉红色系的“彩云”(6-7)和白色系的“云朵”(5-8)，并已被认定为国家级林木良种。

目前传统育种仍是花卉育种工作的主要方法，同时花卉分子育种又为培育花卉新品种开辟了新途径[19]。通过常规选育、辐射诱变和杂交育种方法获得了大量的优异新品种。杨彦伶等[20]通过对不同无性系花性状、生长性状与抗病害能力等的综合评判，选择出具有园林观赏价值的8个野生紫薇(LagerstroemiaindicaL.)优良无性系；朱更瑞等[21]通过观赏桃(AmygdaluspersicaLinn.)自交育成花果两用、高抗南方根接线虫的观赏桃新品种；陈发棣等[22]通过对自交种子进行辐射诱变，选育出了地被菊新品种；姜长阳等[23]用γ射线辐射处理玉兰愈伤组织，选育出具有一年两次开花、生长速度快而旺盛、抗逆性强等多种优良性状的玉兰新品系；周厚高等[10]利用新铁炮百合品种“雷山”和麝香百合品种“白森林”为亲本，通过杂交和回交，采用系统选育的方法育成切花品质优良的新品种“白玉”。而在已有的以生长和材性为目标性状的楸树杂交育种研究取得了较好的成果[24]；在楸树观赏新品种选育方面，由于不同单株花性状差异极显著，可以采用杂交育种方法进行观赏型新品种选育，从而依据花颜色、花枝长度、花序长度、单花枝花数量，以及雄蕊育性，按照选育目标，进行科学合理的交配设计。

4 结论

(1)楸树为二强雄蕊，分为雄性可育和败育，27个单株中有12个为雄性可育，且花粉量差异较大。花冠檐部5裂，上唇3瓣，下唇2瓣，上唇瓣长度大于下唇瓣。单株间花枝长度、花序长度、单花枝花数、花上唇瓣长度、花下唇瓣长度和花冠直径均存在极显著差异，变幅分别10.7～16.4 cm、5.6～9.6 cm、2～13朵、3.8～5.2 cm、3.0～4.3 cm、3.9～5.4 cm，表型变异系数分别为12.8%、12.5%、36.7%、7.5%、9.1%和9.2%。

(2)楸树16个单株间花色差异极显著，以L*、a*、b*值度量花色，将16个单株聚为3类，红色系、粉红色系和白色系。