基于田间性状和花部性状的茶用菊品系高产及适应性评价

李嘉伟,李晓宇,史亚东,陈素梅,房伟民,张飞,赵爽,陈发棣,管志勇*

(1.南京农业大学作物遗传与种质创新国家重点实验室/农业农村部景观设计重点实验室/园艺学院,江苏 南京 210095;2.安徽菊泰滁菊草本科技有限公司,安徽 滁州 239000)

菊花(Chrysanthemummorifolium)是中国的传统名花,其在中国已有大约三千年的栽培历史,在人工栽培之前其食用、药用价值已经就被明确提到[1]。目前茶用和药用兼用的功能性菊花产业规模不低于观赏菊,仅江苏射阳、湖北麻城、安徽黄山周边地区、浙江桐乡等地就接近20万hm2。菊花茶的色味、香味和形态俱佳,具有清心解暑、除烦明目、润喉生津的功能[2],长期饮用可以增加人体钙质、调节心肌功能、降低胆固醇[3]。当前我国茶用菊品种主要是‘杭白菊’‘滁菊’‘贡菊’‘福白菊’等各地方品种及‘金丝黄菊’等。与切花菊的设施生产方式不同,茶用菊的生产为露天栽培,植株在定植后的整个生育期都处于露天环境,期间不利的环境因素如高温、寒冷、干旱、雨涝以及多种病虫害的逆境侵袭无法避免,这些因素都会导致茶用菊生长发育异常,甚至减产。目前的主栽品种均不同程度存在对田间多种环境胁迫适应性差的缺点,各产区的减产、绝收现象时有发生,这限制了菊农的生产积极性,导致产业萎缩。选择对田间自然环境适应性强的品种进行生产是茶用菊稳产高产的基础。因此迫切需要对现有品种开展生长特性以及田间适应性等方面进行评价,筛选综合性状优良的茶用菊品种,推动品种创新。因此,构建科学、系统的茶用菊综合评价体系,开展茶用菊品种评价及筛选,可为茶用菊生产、品种选育提供实践支撑。

近年来,对观赏植物品种评价逐步由定性、单一指标向定量、多指标的综合评价过渡[4]。目前常用于栽培植物品种评价的方法有百分制记分法[5]、层次分析法[6]、灰色关联法[7]、模糊数学法[8]和主成分分析法[9]。其中,层次分析法可以满足植物品种综合评价的需要,其突出特点是将定性与定量结合起来,将主观判断和定性分析用数量分析表述、转换和处理[10],在栽培植物品种评价方面应用较多。目前已在园林小菊[11]、多头切花菊[12]、单头切花菊[13]、切花小菊[14]、盆栽多头小菊[15]以及中国传统菊[16]品种资源评价上使用,筛选出一系列优良品种,而茶用菊品种评价方面的工作则侧重于干花加工后的外观品质、茶汤品质和功能性成分的评价[17],但茶用菊的丰产性及适应性则是产业链种植环节考虑的首要因素。近年来,低产的品种、适栽性差的品种通常被产区主动淘汰,启示茶用菊育种者需给予茶用菊的丰产性及适应性足够重视。因此本研究基于40个茶用菊品系的田间和花部性状,采用专家咨询法、层次分析法以及K-means 聚类分析法构建茶用菊的综合评价体系。

1 材料与方法

1.1 试验材料和试验地点

供试材料为40个茶用菊品系,包括‘滁菊’‘杭白菊’‘异种大白花’3个品种,其余37个株系为近年来从茶用菊品种开放授粉的有性后代筛选出的优良品系。37个品系的开放授粉育种亲本为‘滁菊’‘贡菊’‘杭白菊’。

试验在安徽菊泰滁菊草本科技有限公司的生产区进行。于2018年4月下旬至5月中旬挑选生长强健的单株,取长6～8 cm、长势整齐、充实健康的穗条,先用多菌灵消毒,再将穗条在生根粉水溶液中蘸取30 s左右后扦插到穴盘中。基质采用草炭和石灰岩(体积比3∶1)混合配制。扦插12 d生根完毕后以种植间距为50 cm定植于露地,每个品种或株系定植150株。定植过后20 d进行第1次摘心,再过15 d第2次摘心,以促进侧枝的生长。40个茶用菊品种(系)分2个时间批次即4月20号和5月1号扦插、定植,以获得2个试验重复。在各品种进入盛花期时对其性状观察测定。

安徽滁州地区为北亚热带湿润季风气候,年平均气温15.4 ℃,年平均降水量1 035.5 mm,年日照总时数2 073.4 h,年无霜期210 d。

1.2 性状测定与方法

1.2.1 性状筛选基于菊花栽培鉴定试验或室内分析测试(DUS测试)指南[18]完成了对40个茶用菊品系24个性状的调查。最终参考茶用菊产业专家、生产企业和销售商的意见,筛选出10个影响茶用菊产业化生产的关键指标,分别为花朵在枝条上的分布(flower distribution,FD)、植株紧凑性(plant compactedness,PC)、株高(plant height,PH)、花序高(inflorescence height,IH)、花径(inflorescence diameter,ID)、舌状花数(number of ligulate flowers,NLF)、花朵重瓣性(polyphyll of flower,PF)、田间适应性(field adaptability,FA)、收获期的直立性(upright of harvest time,UH)、单株花数(flower number,FN)。

1.2.2 性状测定方法花朵在枝条上的分布:目测确定各品种的花朵在枝条上的位置,花朵集中分布在上部为1级,多数分布在上部为2级,在枝条的上下都有分布为3级。花朵在枝条上的分布级别见图1。

图1 花朵在枝条上的分布级别图Fig.1 The grade diagram of the distribution of flowers on the branches A、B和C分别表示在枝头集中分布、多数分布于上部以及在枝条上下都有分布,依次赋值3、2和1。A,B and C represent concentrated distribution in the branches,mostly in the upper part,above and below the branches,with a score of 3,2 and 1,respectively.

植株紧凑性:目测确定各品种的植株紧凑程度,以花枝间紧凑程度确定标准。植株紧凑性级别见图2。

图2 植株紧凑性级别图Fig.2 The grade diagram of plant compactednessA、B和C分别表示紧凑、中等和松散,依次赋值3、2和1。A,B and C represent compact,medium and loose,with a score of 3,2 and 1,respectively.

田间适应性:盛花期目测各品种群体缺株数占总定植数的比例,以及群体长势。田间适应性级别见图3。

图3 田间适应性级别图Fig.3 The grade diagram of field adaptabilityA、B和C分别表示强、中等和弱适应性,依次赋值3、2和1。A,B and C represent strong,medium and weak adaptability,with a score of 3,2 and 1,respectively.

收获期花枝的直立性:目测各品种群体发生花枝倒伏的单株数量占总定植数的比例。

株高、花序高、花径、舌状花数、花重瓣性、单株花数的测试方法见菊花DUS测试指南[18]。花重瓣性级别见图4。

图4 花重瓣性级别图Fig.4 The grade diagram of polyphyll of the flower A、B和C分别表示紧凑、中等和松散且重瓣性好、中等和差,依次赋值3、2和1。A,B and C represent compact,medium and loose,and polyphyll of the flower is good,medium and poor,with a score of 3,2 and 1,respectively.

株高:菊花植株顶部到基部间的距离。

花序(菊花俗称的一朵花实质上是一个头状花序)高:花序顶部到基部间的距离。

单株花数:破坏性计数,即从植株上摘取花朵并计数。

舌状花数:破坏性计数,即从花序上拔取舌状花,并计数。

数量性状通过从株系群体中选取表型性状较为平均的单株和花朵样本进行测定,测量10个样本后取平均值。

1.3 统计与评价

用Excel 2019对各性状的实测数据进行整理和统计;用yaahp软件进行层次分析;用SPSS 20软件进行K-means 聚类分析[19]。

1.3.1 评价体系构建参考前人的研究方法[11,20],基于茶用菊品种特点,根据评价指标的建立原则[21]以及体系的框架模型,结合专家意见征询确定评价指标以及指标间的隶属关系,采用1～9标度法(表1)比较指标间的相对重要性,量化各项指标并构造判断矩阵,构建出茶用菊层次结构模型(表2),包含目标层(A)、准则层(B)和方案层(C)。

表1 1～9比率尺度值含义Table 1 The meanings of ratios of 1-9

表2 各评价体系的层次结构模型Table 2 The hierarchy model of evaluation system

1.3.2 判断矩阵及一致性检验在层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)综合评价体系中,各评价指标的重要性是相对的,对各个评价指标进行两两比较可以衡量指标的重要程度。根据上面的1～9标度法以及得到的分层结构模型,结合茶用菊的栽培和生产特性以及相关专家的意见,构建出A-B、B-C共 4个判断矩阵,并进行一致性检验(表3)。

表3 各判断矩阵及其一致性检验Table 3 The results of matrix and its consistency test

运用yaahp 软件计算判断矩阵的最大特征根、相应的特征向量以及权重值,判断矩阵计算方法采用“幂法”。一致性指标(consistency index,CI)为度量判断矩阵偏离一致性的指标,随机一致性指标(random index,RI)为判断矩阵的平均随机一致性指标。以判断矩阵的随机一致性比率(consistency ratio,CR)为标准,即判断矩阵的一般CI与RI的比值。CR<0.10,则说明判断矩阵一致性满意,各指标的权重赋值均符合要求。

2 结果与分析

2.1 茶用菊评分标准的制定

以挑选可作产业规模化生产的高产优质茶用菊为基准,根据40个茶用菊品种在花期的实测数据结合生产特点、专家意见以及市场需求,将影响茶用菊产量和品质的10个指标划分为3个级别,赋值3、2、1,拟定了茶用菊品种评选的3分制评分标准(表4)。

表4 各因子评分标准Table 4 Scoring standard of each factor

2.2 各评价因子的权重值

根据表3的判断矩阵及一致性检验,计算得出方案层C对准则层B以及准则层B对总目标层A的权重值,再进行加权综合,可以得出方案层C对总目标层A的权重值。由表5可见:单株花数对茶用菊的影响最大,其权重值为0.301,其次是田间适应性和舌状花数,其权重值分别为0.172和0.119;而花重瓣性(0.113)、花朵在枝条上的分布(0.088)、收获期花枝的直立性(0.066)、植株紧凑性(0.048)的权重值对茶用菊的影响位于中等水平;花径(0.042)、株高(0.027)、花序高(0.024)的权重值对茶用菊的影响相对较小,即通过计算方案层的权重值可以得出各个评价指标的相对重要性,从而能够比较准确、量化并且全面地对茶用菊进行综合评价。

表5 各评价因子的权重值Table 5 The weight value of each factor

2.3 茶用菊品系的得分及等级

将茶用菊各指标的评分标准所得的分值与各影响因子C相对于A层的权重值相乘,计算出每一品种的综合得分。应用K-means聚类分析法将40个茶用菊品系分成优、良、中、差4个级别,依次用数字1、2、3、4来表示,其聚类中心分别为2.72、2.33、2.01、1.72。40个茶用菊品种的综合得分以及等级划分如表6所示。

表6 茶用菊品系综合得分及等级Table 6 The score and grade of chrysanthemum for tea

2.4 评价结果分析

茶用菊各性状的权重值显示(表5),适应性的权重值最高,以单株花数最为重要,其次是田间适应性和收获期花枝的直立性;生长特性指标中花朵在枝条上的分布最为重要,其次是植株紧凑性和株高;花部特征指标中舌状花数最为重要,其次是花重瓣性和花径,而花序高重要性程度最低。

从方案层C对总目标层A的权重值结果来看,10个评价指标的权重值中单株花数和田间适应性的权重最高,这2个指标直接反映茶用菊的产量潜力和田间稳产性能,故所占权重值高。花序是茶用菊生产的收获产品,舌状花数和花重瓣性与茶用菊的产量及外观品质直接相关,也在品种评价中具有重要位置。花朵在枝条上的分布、收获期花枝的直立性以及植株紧凑性主要是影响茶用菊的易采收性和花朵的清洁。株高、花径和花序高3个性状指标则与产量及品质的直接关联较小,所占权重较小。由此可见,对茶用菊产量和品质有较大影响的指标权重值大,体现了这一评价体系的合理性,符合本次评价的目的。

由综合评价结果(表6)可知,40个茶用菊品系按优、良、中、差4个等级划分的比例为12.5%、35.0%、32.5%、20.0%。其中,X1-56、X1-33、X1-25、X1-51和X1-29共5个株系处于1级优秀;X1-19、X1-05、‘滁菊’、X1-48等14个品种(系)处于2级良好;X1-01、X1-30、X1-40、X1-57等13个株系处于3级一般;X1-32、X1-03、X1-36、X1-06等8个株系的综合品质较差,处于4级差等株系。其中1级和2级品系在单株花数、田间适应性和舌状花数等权重较大的指标上表现突出,综合评价表现优良,符合筛选需求,占全部品系的47.5%,对这些品种可以加大推广和种植力度;3级品系可利用1、2等级的优良品种进行品系优化;而4级品系综合评价表现较差,不适合在生产中推广。

3 讨论与结论

层次分析法利用构造两两对比矩阵的方式来确定各评价指标对综合性状的权重,将主观判断的定性问题定量化,使决策过程有很强的客观性以及科学性,将定性标度与定量标度相结合有利于客观全面的评价,而定性信息标度的可信度决定了判断矩阵质量[22]。目前已有不少研究运用层次分析法对不同类型的菊花品种资源进行了评价,筛选出一系列综合性状优良的品种。朱德宁等[11]运用聚类分析结合层次分析的方法对多花型园林小菊建立了评价体系,筛选出‘钟山金阳’等12个优等多花型园林小菊品种。张亚琼等[16]通过测定株高、茎粗、花茎等相关性状,从观赏性状、抗逆性、栽培流程 3 个方面确定了 19 个评价因子的权重值,使用层次分析法筛选出适合产业化生产的中国传统盆栽菊,构建了传统菊花品种的综合评价体系。对于茶用菊品种而言,单株花数、田间适应性等与产量相关的指标及舌状花数、花重瓣性等与外观品质相关指标,还有涉及生产采收环节的花朵在枝条上的分布等指标都是相关的评价指标。因此,在茶用菊品种的综合评价中,综合各个指标的信息并科学地确定各个指标的权重是茶用菊综合评价的重要内容。本研究中,田间适应性、花朵在枝条上的分布、植株紧凑性、收获期花枝的直立性这4个定性指标与茶用菊品质优劣判断的关系明确,定性标度质量高;6个定量指标与茶用菊优劣关系更加明确,采用层次分析法评价优势明显。孙明等[23]研究 17 个地被菊品系的株形、开花、适应性等14个性状,通过性状分级赋值,利用层次分析法筛选出 5 个观赏价值较高的地被菊优良品系。马婉茹等[20]采用层次分析法对300个多头切花菊品种的茎、枝特性建立评价体系,筛选出176个优良品种并在生产上推广应用。与注重个体外观品质的地被菊和切花菊不同的是,茶用菊在主产区是规模化露天生产,各种非生物逆境及病害、虫害等生物胁迫,都会影响茶用菊的正常生长,田间甚至发生菊花对干旱、湿涝、病害综合因素的不适应而发生的大范围缺株、全田绝收的情形,严重影响产业的发展。因此,使用对田间自然环境适应性强的品种进行生产是茶用菊稳产高产的基础,通过品种改良从根本上来解决适应性差的问题。群体的田间适应性与长势、单株花数是产量的决定性因素,此外,花朵在枝条上的位置、植株紧凑性、收获期直立性影响了采收的效率和花朵的损耗多少,将这些指标进行量化可以直观地反映茶用菊品种的田间生产状况。

翟丽丽等[24]分别采用盆栽淹水法、自然干旱处理比较国庆小菊的耐涝、旱性;张常青等[25]采用自然失水胁迫和PEG胁迫处理方法,研究地被菊花幼苗的耐寒性;尹冬梅等[26]采用土培模拟涝害的方法比较菊花及其近缘种属植物耐涝性;孔令接等[27]在苗期和花期进行高温胁迫处理,比较不同夏菊品种的耐热性;徐婷婷等[28]利用低温半致死温度评价切花菊的耐寒性;李媛媛等[29]利用苗期人工接种法评价了茶用菊的抗病性。上述研究均只对单个生态因子进行评价,无法获得涵盖多种生态因子在内的田间适应性的结论。在茶用菊的田间生长期间,上述逆境因子都不同程度存在,在这些逆境因子的综合影响下,茶用菊不同品系的田间成活状况、田间长势均会有所差异。充分比较不同品系在大田条件下生长差异就能获得其对各种生态因子的适应性差异的结论,这种方法在花卉[30-31]等园艺作物的种质资源筛选上普遍采用。本研究的田间筛选地点位于华东地区滁州市的茶用菊传统产区,在露天栽培条件下,筛选群体能充分接受梅雨、湿热、高温、干旱、连作病原等因子的影响,具有大田筛选的理想自然条件。以该条件下生长的茶用菊各品系群体最终的成活株数、生长势作为生态适应性共同指标,更具有实践指导意义。

史峰霖[32]运用专家咨询法、层次分析法和K-means聚类分析法构建切花菊F1代性状综合评价体系,结果发现花序直径、花色和花型3个评价因子对切花菊观赏性的影响最大,为培育彩色标准型切花菊提供了材料。韩勇等[12]基于AHP对多头切花菊的品质性状进行了综合评价,发现对多头切花菊品质影响最大的性状是株型,其次是花色和分枝长度,权重值分别为0.228、0.150、0.132。本研究对茶用菊的10个品质性状指标量化分析的结果表明,单株花数、田间适应性、舌状花数、花重瓣性、花朵在枝条上的分布和收获期的直立性等5个指标对于茶用菊综合水平影响较大,其综合权重值依次为0.301、0.172、0.119、0.113、0.088、0.066。这些指标在今后的茶用菊选种过程中应重点关注,单株花数和田间适应性与茶用菊的产量直接相关,而舌状花数和花重瓣性与茶用菊的外观品质直接相关,体现了这一评价体系注重茶用菊产量和品质的合理性,符合预期结果。本研究筛选出的品种与田间目测长势结果相一致,该评价体系可以为茶用菊品种生产和选种提供指导。

本研究从生长特性、花部特征和适应性3个方面出发,结合田间试验所得到的各个指标,利用层次分析法构建出茶用菊综合评价体系。应用层次分析法计算得到茶用菊10个评价指标的权重值,其中单株花数、田间适应性、舌状花数的权重值最大,其次是花重瓣性、花朵在枝条上的分布和收获期的直立性,这些指标的权重值远远大于其他指标的权重值。确定各品种的综合评分后通过K-means聚类分析法将40个品种划分为4个等级,其中,1级优秀的株系共有5个(12.5%);2级良好的品系共有14个(35.0%);3级一般的株系共有13个(32.5%);4级差等株系共有8个(20.0%)。筛选出的优良茶用菊品种田间适应性强,几乎无病害发生,花朵繁密,产量高,在枝头分布集中、易采收,株形直立紧凑、不易倒伏,具有产业化推广的潜力。