我国风铃木类植物叶性状表型变异与遗传多样性研究

张 捷 李蓉蓉， 孟景祥 张 勇 仲崇禄

（1. 东北林业大学园林学院，哈尔滨 150040；2. 中国林业科学研究院，热带林业研究所，热带林业研究实验室，广州 510520）

风铃木类植物是世界著名的木本花卉，原产于中美洲及南美洲的热带地区，其盛花期时繁花满树，色彩绚丽，具有极高的观赏价值［1～3］。风铃木类植物包含有紫葳科的粉铃木属（亦称蚁木属）（Tabebuia）、风铃木属（Handroanthus）和金铃木属（Roseodendron）共99种，其中的许多物种已被广泛引种于热带亚热带国家，并成为国际上重要的商品性花卉［4～6］。我国引种风铃木始于20 世纪70 年代，主要有黄花风铃木（Handroanthus chrysan‐thus）、红花风铃木（H. impetiginosus）、紫花风铃木（H.heptaphyllus）、金花风铃木（H.chrysotrichus）、洋红风铃木（Tabebuia rosea）等多个物种［7］。但在国内的花木市场中，风铃木类植物的商品命名并没有统一的标准，同种多名和多种同名现象较为普遍，此外，我国的风铃木有多少个物种尚不清楚，其种间鉴别标准的缺失对花木市场的健康发展和遗传选育研究均造成了不利影响［7～10］。风铃木类植物在我国具有巨大的市场需求，对其国内栽培种进行分类鉴定和遗传多样性评价，将为我国过风铃木市场的健康发展和种质创新提供重要的研究依据。

对于商品苗木而言，植物表型变异具有观察直接、调查简便、有效等特点，是最常用分类依据［11］。我国风铃木类植物商品名称多以花器官性状进行命名，其中以花色命名最为普遍。但事实上，风铃木属植物花器官性状具有高度相似性，特别是风铃木属植物，普遍具有黄色或红色的花冠，即使在植物分类学中也较难区分［12］。因此，单纯的通过花型花色来判定风铃木类植物遗传背景和种群多样性可能存在一定偏差。叶是植物进行光合作用、养分合成及水分利用的重要器官，其表型性状相对稳定且易于测定，常被用做种间分类和表型变异分析［13～14］。在早期分类学研究中，风铃木类植物的叶大小，叶型及叶缘等性状存在多种变异类型，这有可能为国内栽培苗木的分类鉴定和遗传多样性评价提供重要依据和参考［3］。但叶性状受到栽培环境和遗传变异的相互作用，哪些性状能够更好的反映出我国栽培风铃木的遗传变异还需要进一步的研究。

为全面了解我国栽培风铃木的叶表型性状变异和遗传多样性，构建可靠的表型鉴别方法，本研究以中国林业科学研究院科院热带林业试验站内的6 种风铃木为参照，通过对比18 个叶性状表型性状在不同种间的遗传变异水平，筛选可靠的性状，并以此对我国东南、华南沿海地区11个城市的812 株风铃木栽培林木进行遗传分析与评价，旨在：探索不同叶性状在不同物种间的遗传变异，构建可靠的叶性状分类鉴定标准，揭示我国现有栽培风铃木的主要变异类型和遗传多样性，及评估我国不同风铃类型的栽培利用状况和主要分布规律。该研究结果将会为我国风铃木类植物的种质创新、栽培繁育以及推广应用提供参考。

材料和方法

1.1 研究群体

本研究参试样本共812 株林木，其中包含6 个种的参照群体（83 株样木）和729 株国内栽培林木，其中，参照群体包含红色花冠的红花风铃木、洋红风铃木、紫花风铃木以及黄色花冠的黄花风铃木、金花风铃木、银鳞风铃木（T.aurea）（见表1，图1）。6个引种参照群体均为国外商品种源，经过实地调查及查阅文献，国内广泛栽植的风铃木绝大多数是这6 种风铃木及变种［7-9］。而国内栽培林木则为我国东南、华南沿海城市的城市景观树木，其种源信息不明，但可依据花冠颜色大致分为红色花系、黄色花系和其他花色3类。

参照群体林木栽培于海南尖峰岭热带林业试验站种质资源圃（18°42'N，108°49'E），该地区属热带季风气候，旱雨季明显，年均气温24.5℃，年平均降水量1 659.4 mm，土壤为黄红色砖红壤［15］。引进种子于2001年进行盘穴播种，并在2年苗龄时移栽至大田。其田间布置采用完全随机的方式进行，每个群体种植苗木20株，株行距为3 m×3 m。栽种后的苗木依据群体类型记录点位，并进行常规培育管理。

国内栽培林木则采集自我国东南、华南沿海地区的11 个大中城市的40 个绿地公园，均为树高6～10 m 的中型乔木。每个地点依照花冠颜色类型，分别选取树高、胸径相近的植株10～20 株（若数量不够则采集范围内的所有植株）进行叶采样。

1.2 叶采集和测量

风铃木叶采集工作均于2019 年12 月至2020年1月风铃木类植物落叶前进行（风铃木类植物先花后叶，叶多于旱季结束前凋落）。每株个体林木选择不同方向、正常生长、无病虫害的完整复叶叶3片进行性状测量。性状测量借助于扫描仪（万深LA-S）形成电子图像信息，并通过利用ImageJ 软件进行图像进行测定［16］。

测定的叶表型10 个数量性状包括复叶长（CLL，cm）、复叶宽（CLW，cm）、复叶叶面积（CLA，cm2）、复叶叶柄长（CPL，cm）、中间小叶的小叶长（LL，cm）、小叶宽（LW，cm）、小叶叶柄长度（LPL，cm）、小叶叶面积（LA，cm2）、叶先端长度（LAL，cm）和小叶数量（LN，片）（见图2）；8 个质量性状包括叶缘（LM）、叶质地（LT）、叶被毛（LH）、小叶叶形（LS）、复叶长宽比（复叶长/复叶宽，CLL/CLW）、小叶长宽比（小叶长/小叶宽，LL/LWW）、小叶长柄比（小叶长/小叶柄长，LL/LPL）、叶先端长宽比（小叶叶先端长/小叶叶宽，LAL/LWW）（见表2）。

表2 风铃木质量性状测量Table 2 Measurement indexes of quality characters of Handroanthus and Tabebuia

1.3 风铃木类植物叶表型性状遗传变异的统计分析

为评估叶表型性状在风铃木类植物分类鉴定中的效果，本研究以海南尖峰岭热带林业试验站种质资源圃内的6 种风铃木变异类型为研究对象（表1），利用巢式模型对所有性状进行了方差分析［17］：

式中：y（ijk）代表测量值；µ代表试验均值；Pi代表第i个群体效应值（随机）；Ij（i）代表第i群体中第j个体效应值（随机）；eijk代表剩余效应。

计算叶性状特征均值、标准差、表型分化系数和表型重塑力，其中表型分化系数VST公式［18］：

式中：δp2代表类型间的方差的方差分量；δI2代表类型内个体间的方差分量。

表型重复力HB2公式［19］：

式中：MSs代表群体类型间均方；MSi代表群体内个体间均方；MSe代表残差均方；r代表各群体的平均测量次数；k代表每个个体的平均测量次数。

测定数据统计前先进行正态分布检验，分析采用R-4.0.0软件的Vegan包进行统计。

1.4 我国东南、华南地区风铃种栽培品系鉴定和遗传多样性分析

为评估我国引种栽培的风铃木林木遗传多样性，选用遗传变异中区分种质类型效果较好，表型重塑力高的叶性状对所有参试样本林木个体进行聚类分析。因复叶长、小叶长、小叶宽叶性状关联较大，为减小使用同类性状对分析结果造成影响，故挑选了7个彼此关联性小的性状进行聚类分析。聚类分析采用Ward 分析方法，以欧式距离为聚类参考，分析在R-4.0.0 软件ape 包中进行［20］，聚类分析以个体为单位进行，取每个个体的算术平均值进行计算，且为消除数据单位对聚类结果的影响，数据进行Z值转化。

不同栽培类群的叶表型特征通过均值和标准差进行描述，并对不同类群间的性状通过Duncan’s多重比较进行差异分析。

2 结果与分析

2.1 风铃木类植物叶表型性状遗传变异分析

对引种参照群体的叶表型性状分析表明（见表3）：各叶表型性状在物种及种内个体间均具有显著的差异，说明风铃木类植物的表型变异性状在不同种质间存在明显的遗传变异。其中，复叶长、复叶宽、复叶叶柄长、小叶长、小叶宽、小叶长宽比、小叶叶柄长、叶先端长宽比、叶先端长度、叶缘、叶质地、叶被毛、小叶叶形的性状种间方差分量均超过了50%，明显大于种内个体间水平，说明这些叶表型性状的变异主要集中在种间水平。

表3 参照群体6种风铃木的叶表型性状方差分析表Table 3 Variance analysis of leaves phenotypic traits of five species in the germplasm collection garden

从表型分化系数上看：复叶长、复叶宽、复叶叶柄长、小叶长度、小叶宽度、小叶长宽比、小叶长柄比、叶缘、叶质地、叶被毛、小叶叶形、叶先端长宽比、叶先端长度的性状的表型分化系数均超过了60%，说明这些性状种间表型分化值较高。

而从重复力性状看：复叶长、小叶宽、小叶长、小叶长宽比、叶先端长宽比、叶缘、叶质地、叶被毛、小叶叶形性状的种间重复力均超过了60%，说明上述性状的测量结果与种间表型的遗传分化存在较高的关联性，而利用这9个性状能够较好的反应种间遗传特征。

对比6 个种的表型变异发现（表4）：黄色花冠的银鳞风铃木的小叶数量最多、小叶长宽比、小叶长值最大，复叶长宽比、小叶长柄比是最小的，银鳞风铃木的叶先端圆钝，条形叶，革质，叶光滑无被毛现象。黄花风铃木的小叶长柄比、复叶长宽比值最高，但在小叶长宽比的值最低，黄花风铃木叶被毛，大多数叶1/2 以上锯齿，少数叶全缘。金花风铃木的复叶长、复叶面积、复叶叶柄、以及小叶长、小叶宽等性状明显小于其他物种，说明金花风铃木具有较小的叶，金花风铃木叶无锯齿，倒卵形叶。

表4 参照群体6种风铃木的叶表型性状比较Table 4 Comparison of leaves phenotypic traits of six species

红色花冠的红花风铃木的各项性状均是中间状态，复叶长、小叶长、小叶叶面积性状仅次于洋红风铃木，红花风铃木叶缘全锯齿，椭圆形叶，叶光滑不被绒毛。洋红风铃木的复叶长、复叶宽、复叶叶面积、复叶叶柄长、小叶长、小叶宽、小叶叶柄长、叶先端长宽比、小叶叶面积均为最高，说明洋红风铃木具有较大的叶结构，洋红风铃木的叶缘无锯齿且不被绒毛与红花风铃木有较为明显的差异。紫花风铃木的复叶长、小叶长、小叶宽等性状较小，明显低于其他两种红色花冠的风铃木物种。此外紫花风铃木为叶缘锯齿较为明显，小叶叶形为卵形，与其他风铃木物种有明显的差异。

2.2 我国东南、华南地区风铃木栽培品系的遗传多样性分析

对我国东南、华南地区的812份风铃木种质资源进行聚类分析表明，我国栽培的风铃木类植物可以分为4 大类和10 个小的变异类型（见图3）。其中，A 类只有1 个变异类型（G1），包含有尖峰岭试验站全部银鳞风铃木个体。B 类有3 个变异类型（G2-G4），包含了样本中所有红色花冠和其他花色花冠样本，其中引种参照群体的所有紫花风铃木和洋红风铃木均属于G3 变异类型，而引种参照群体的红花风铃木属于G4 变异类型。C 类有2 个变异类型（G5-G6），引种参照的金花风铃木全部处于G5 变异类型中。D 类有4 个类型（G7-G10），其中G10 类型包含了引种参照群体中的全部黄花风铃木。

从样本来源看（见表5），A 类群包含有来自海南和广东的2 个群体，共32 个个体；B 类群包含来自福建、广东、海南的15 个群体，共198 个个体；C类群包含来自福建、广东、海南的24 个群体，共269个个体；D 类群包含来自福建、广东、海南的28个群体，共313个个体。对比不同类型风铃木的栽培范围和栽培量看，花冠为黄色的C 类群和D 类群的风铃木栽培数量最多，样本种植范围更加广泛，其次花冠为红色或其他颜色的B 类群，种质最少的是黄色花冠的D 类群。从各物种的栽培地点上看，B 类群样本多种植于与相对偏南的地区，如广东、海南和福建南部，而的C 类群和D 类群的样本可种植于相对靠北的地区，例如，福建的中部和北部。

表5 风铃木类植物在东南、华南地区的栽培分布Table 5 Cultivation distribution of the species of Tabebuia and Handroanthus in southeast and south China

对比不同聚类群体的性状发现（表6），A 类群的小叶长宽比的均值为4.62，在所有类群中最高，说明此类植物叶形细长。此类风铃木植物的小叶叶柄较长，叶先端圆钝，叶革质，表面光滑，与引种试验中的银鳞风铃木相比无明显类型。

表6 东南、华南地区风铃木类植物叶表型形状变异Table 6 Phenotypic traits variation of leaves of the species of Tabebuia and Handroanthus in southeast and south China

B 类群的3 个变异类型在复叶长，小叶长，小叶宽，叶缘、叶先端长宽比、叶质地，叶面被毛以及叶型上均存在明显的差异，其中G2 的叶复叶长，小叶长，小叶宽值处于中间水平，叶面无毛，叶形为椭圆形与其他两个类型有明显区分。G3 的叶复叶长，小叶长，小叶宽值明显高于其他两个类型，且叶先端长宽比值较大，说明该类型具有较大的叶和较为明显的叶尖。G4 的叶复叶长，小叶长，小叶宽是3种类型中值最小的。

C 类群的两个类型在叶复叶长，小叶长，小叶宽和叶质地性状上存在明显的变异。其中，G5 类型叶较大，为革质叶。而G6类型叶较小为草质叶。

D 类群的4 种类型在叶复叶长，小叶长，小叶宽，叶缘，叶先端长宽比，叶质地以及叶形上存在明显区别。其中G7 类型叶缘几乎无锯齿，叶草质，叶形为倒卵形。G8 类型的叶复叶长，小叶长，小叶宽明显高于其他3种类型，且叶先端长宽比值最大。G9 和G10 类型在大部分性状上相近，但G9类型的为草质叶，而G10类型为偏革质叶。

3 讨论

3.1 风铃木类植物叶表型性状的遗传变异

叶表型性状是植物分类鉴定和遗传分析的重要参考，且受到栽植环境和遗传变异的相互作用。风铃木是我国重要的商品性木本花卉，而探索风铃木类植物的叶表型性状的遗传变异，寻找稳定的遗传性状将为我国风铃木的种质鉴定和多样性评价提供重要的分析依据。本研究以6 种国外风铃木为研究对象，分析了18 个叶表型性状的遗传变异，结果发现叶表型性状在物种及种内个体间均具有显著的差异，其中复叶长、小叶宽、小叶长、小叶长宽比、叶先端长宽比、叶缘、叶质地、叶被毛及小叶叶形这9 个性状更多的反映出植物种间遗传变异，且具有较高的表型重复力，说明这9 个性状能够更好的反映参试物种间的遗传变异。

风铃木类植物的分类在过去的100 年中存在很大的争议，许多物种的分类和名称发生过多次变化。而直到2007 年，Susan 等人利用叶绿体trnl-F/ndhf 区域的分子序列对于风铃木类植物进行了分类修订，才形成了目前的分类体系［5］。风铃木类植物多变的分类系统与种间复杂的表型变异存在密切联系。事实上，一些风铃木类植物的表型特征具有较高的共性，较难将不同物种进行明显区分。例如，黄花风铃木在不同的历史时期先后隶属黄钟花属（Tecoma），粉铃木属（Tabebuia）和金铃木属（Handroanthus）植物［3］。本研究中所涉及的6种风铃木在国内栽植量较大，且花木市场命名最为混乱。对这6 种风铃木的遗传变异分析虽然对于整个风铃木类植物的分类贡献有限，但找到的9个叶表型性状却能较好区分不同的种质，对于国内市场花木的鉴定却有着非常重要的意义。

此外，风铃木类植物分布范围涵盖了几乎整个南美洲大陆以及中美洲地区，其不同物种对于环境的适应性往往存在较大的变异。本研究发现的9个叶表型性状均与植物的适应性有关，例如叶锯齿状更有利于散热，液压效率高，能够增强植物对干旱环境的适应能力［21～24］。而叶被毛可以防止水分过分蒸发降低蒸腾作用，能够抵御寒冷［25～26］，革质叶能够避免叶灼伤，减少水分流失［28］，而叶的大小则与生境的温度、光照和水分密切相关［28～29］。这9 个叶表型性状反映出不同的种质资源的适应性差异，并有可能为风铃木类植物的栽培和选育提供重要的理论参考。

3.2 我国东南、华南地区风铃木栽培品系的遗传多样性

风铃木类植物是重要的商品性花卉，了解其在我国的主要商品类群和对遗传性多样性进行评估，这对种质资源的收集、生产栽培具有重要且现实的意义。本研究涉及了广东、福建、海南等11个城市的风铃木栽培样本，发现了10个变异类型，反应了我国现有风铃木栽培种的遗传多样性较丰富。就本次研究所涉及的6种风铃木参照而言，遗传多样性调查中发现的其他几种变异类型，说明我国现有风铃木栽培种质资源较传统认识更为丰富。其中，黄花风铃木与金花风铃木所在类群下均有不同变异类型，反映出我国现有的黄色系风铃木可能含有不同的种质资源。黄花风铃木广泛分布在南美洲北部地区，其种内在不同生境下就存在3 个典型亚种，其中G8 群体具有较大的叶面积和明显的叶尖，其表现与H.chrysanthussubsp.pluvioslus亚种相似［4］。而在花木市场黄花风铃木也存在大叶黄花风铃木和小叶黄花风铃木等不同商品名称，其命名差异也可能来自于不同的亚种。本研究中，金花风铃木所在的C 类群下存在两种不同的变异类型。金花风铃木是巴西国花，其外形常与另一种风铃木H. ochracea混淆，且均被广泛引种于世界各地［30］。我国是否也引种有H.ochracea尚未见相关报道，因此与金花风铃木不同变异类型的种质是否存在H.ochracea还需要进一步的遗传分析。

风铃木类植物在我国园林花木中具有巨大的市场需求，且具有众多的商品名称，仅常见的红色系风铃木就红花风铃木，紫花风铃木，洋红风铃木，蓝花风铃木、多花风铃木，少花风铃木，钟花风铃木，蔷薇钟花等十余个畅销商品。然而就商品名称而言，本研究以利用叶表型遗传性状作为性状，反映出变异类型远少于花木市场上的商品名称，说明我国现有的风铃木类植物的商品命名并不能够反映其物种特性。本研究中G3 类型包含了红色以及深红色多种花色，说明同一变异类群可能产生多个不同的花色商品。在前人的研究中，张静等人曾对我国风铃木主要栽培种的花色性状进行统计，发现紫花风铃和洋红风铃木在花冠颜色具有相同的变异类型［31］。说明单纯的靠花色去鉴别和命名风铃木对于市场的健康发展以及种质创新培育极有可能存在着不利的影响。

4 结论

本研究在种源对照试验的基础上，提出了风铃木类植物在叶表型性状方面的分类、鉴定标准，主要包括复叶长、小叶长、小叶宽、小叶长宽比、叶先端长宽比、叶缘、叶质地、叶被毛、小叶叶形这9个可靠的种间变异性状。并以此为参考，将我国东南、华南沿海地区常用的风铃木栽培林木分为4大类10种变异类型。A、B、C、D 4个大类在叶表型性状上存在丰富的变异及种质多样性。该研究提出了我国主要栽培风铃木的鉴别方法，并较为系统的评价了我国现有风铃木栽培林木的遗传多样性，将会为我国风铃木类植物的分类研究、栽培生产和推广应用提供参考。但是仅叶表型性状方面的研究是不够的，因此后续应该结合其他表型性状、分子标记等多方面的研究进一步对风铃木类植物进行鉴定、分类与评价。