南方红豆杉假种皮颜色数量分析

吴少东，肖海静，张文根*，朱 恒，于 宏，裘利洪*

(1.江西农业大学 林学院，野生动植物保护与利用研究中心，江西 南昌 330045；2.上饶市林业科学研究所，江西 上饶 334000)

颜色是描述和鉴定植物的重要性状，是植物品种分类的重要依据。传统上，采用定性描述或借助于比色卡(如royal horticultural society's color chart,RHS Colour Chart)来界定颜色。与之相比，仪器测色法不受主观影响，可以科学测定植物色值，使得颜色数量分析得以实现。现已在莲(Nelumbonucifera)、牡丹(Paeoniasuffruticosa)、西府海棠(Malusmicromalus)、蜡梅(Chimonanthuspraecox)和苹果(Maluspumila)等植物中广泛应用[1-5]。

南方红豆杉(Taxuswallichianavar.mairei)为红豆杉科(Taxaceae)红豆杉属(Taxus)常绿树种，是我国特有的第三纪孑遗物种，属国家I级保护珍稀濒危植物[6]。其大孢子叶球结构较为独特，胚珠直立单生，成熟种子被黏性较强的肉质假种皮不全包裹。前人已就南方红豆杉大(小)孢子发生、雌(雄)配子体发育、遗传多样性、假种皮色素及营养成分等开展了比较深入的研究[7-11]，而对南方红豆杉假种皮颜色多样性认识尚不足。目前，仅在安徽宣城、江西乐安、甘肃徽县等地发现假种皮黄色的变异[12]，其他颜色的变异则未见报道，因此假种皮颜色多样性的研究对其资源利用十分必要。

为此，本研究利用色差仪测得成熟假种皮的明度值(L*)、红度值(a*)、黄度值(b*)，依据美国ISCC-NBS(Inter Society Colour Council-National Bereau of Standand)色名表示法对南方红豆杉表型命名，结合系统聚类分析进行数量分类，同时建立仪器测色数据L*、a*、b*与颜色名称的联系，旨在为南方红豆杉的假种皮分类、品种鉴定和选繁优育等工作奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

根据“江西省第二次国家重点保护野生植物资源调查”的南方红豆杉资源调查结果，并考虑试验材料的代表性，于2020年10-12月，连续赴江西宜春、九江、上饶、抚州、赣州和吉安等地调查和收集南方红豆杉球果，共计37份(表1)。

表1 37份南方红豆杉实验样品Table 1 37 samples of Taxus wallichiana var.mairei

1.2 假种皮颜色测定

野外现场测定南方红豆杉假种皮颜色。每棵树选取30粒发育健康且饱满的南方红豆杉球果，用手持式色差仪SC-10(3nh，深圳市三恩时科技有限公司)在光源C/8°的条件下，按CIE表色系统测定假种皮的颜色。每球果测量3次，取平均值。L*、a*和b*可由色差仪直接测得，彩度C*和色相角h则可以根据公式计算，C*=(a2+b2)1/2，h=tan-1(b*/a*)。

1.3 数据处理

利用SPSS 22.0软件，对测得的南方红豆杉假种皮颜色的L*、a*、b*选用最远邻近法进行Hierarchical聚类分析；利用ColorTell颜色工具，将果色的L*、a*、b*转换为蒙塞尔颜色系统的色相(munsell hue)、明度(munsell value)和彩度(munsell chroma)，利用ISCC-NBS色名表示法，同时参照何芮庆等[13]对紫丁香花色表型性状变异分析的方法，对南方红豆杉假种皮颜色进行定义与分类；利用Origin 2019软件分析不同色系的L*、a*、b*之间的关系并制图。

2 结果与分析

2.1 基于聚类分析的南方红豆杉假种皮颜色分类

如图1所示，在欧式距离为5处，可以将南方红豆杉假种皮的颜色分为4个色系：A类，红色系，包括SR-WY-01、YC-WZ-01、FZ-NF-01等32株系；B类，橙黄色系，包括YC-WZ-03、YC-GS-05、YC-WZ-02；C类，黄色系，FZ-LA-01；D类，橙色系，SR-DX-02。由于红色系株数较多，其颜色有不同程度的变异，仅靠聚类分析结果并不能够较好地反映南方红豆杉假种皮颜色的变异特征。

注:A为红色球果；B为橙黄色球果；C为黄色球果；D为橙色球果。比例尺：1 cm。图1 基于L*、a*、b*的南方红豆杉假种皮颜色聚类分析Fig.1 Cluster analysis of aril color in Taxus wallichiana var.mairei based on L*,a* and b*

颜色模式测定结果(表2)显示，南方红豆杉假种皮颜色在CIE表色系统坐标系上分布广泛，L*范围49.48～76.99；a*为18.14～75.34，红色系a*主要集中在53.19～75.34，说明其在红度属性上分布比较集中；b*为21.49～73.87，变异较大，在45之后属于偏黄，说明其在黄度上变异较为丰富；彩度C*为38.3～83.09，色相角h为24.39～76.20。依色相角h，南方红豆杉假种皮颜色包含了红色系、黄色系、橙色系，色彩范围较广泛。

表2 南方红豆杉中不同色系假种皮的色值范围Table 2 Values of different aril colors in Taxus wallichiana var.mairei

2.2 基于ISCC-NBS色名表示法的南方红豆杉假种皮颜色分类

2.2.1 假种皮颜色分类 将L*、a*、b*转换为蒙塞尔颜色系统的色相(munsell hue)、明度(munsell value)和彩度(munsell chroma)，根据ISCC-NBS色彩名称表示法的267种色值的颜色描述，再简化饱和度和明度描述，最终可将南方红豆杉假种皮颜色分为4大色系(表3)：红色系(redgroup)、黄色系(yellow group)、橙黄色系(orange-yellow group)、橙色系(orange group)。橙色系和黄色系之间明度非常接近，相差不大，但是彩度两者之间差距明显。同时发现，红色系的色相值范围比较广，其包含强红色、深粉色、强粉色、中红色4个类别(表4)。

表3 基于ISCC-NBS色名表示法的南方红豆杉假种皮颜色命名结果Table 3 Color naming result of T.wallichiana var.mairei based on the ISCC-NBS

表4 依据ISCC-NBS系统进行南方红豆杉假种皮颜色分类Table 4 Classification of aril colors in Taxus wallichiana var.mairei based on the ISCC-NBS

2.2.2 南方红豆杉假种皮颜色分布特点 根据4类色系的L*、a*、b*值，发现不同的色系都有其所对应的L*、a*、b*值范围。由图2A可知，L*值最大的是黄色系，红色系的L*值最小，橙黄色系和橙色系的L*值差距不明显；a*值的分布以红色系最大，黄色系最小，两者差距明显(图2B)；b*分布则以黄色系最大，红色系最小，橙色系和橙黄色系分布相似，但橙色系b*明显大于橙黄色系(图2C)。由此可见，不同色系的L*、a*、b*特征比较明显，能够将不同的色系区分开。

注：A为L*分析；B为a*分析；C为b*分析；D为a*、b*分析；E为L*、a*、b*分析；F为L*、C*线性回归分析。图2 南方红豆杉假种皮色值分析Fig.2 Color analysis of arils in T.wallichiana var.mairei

根据色值测定的结果可知不同的色系在二维空间上区分明显(图2D)。而且，在三维散点图上，不同色系呈带状分布，处于不同的空间(图2E)。进一步说明南方红豆杉假种皮颜色丰富，各色系之间颜色差异显著。

L*是衡量假种皮颜色明暗度的一个指标，随着彩度C*的变化而发生相应的改变。根据南方红豆杉假种皮各色系彩度C*和明度L*之间变化关系(图2F)，可将假种皮分为2类：第1类包括红色系、橙色系、橙黄色系；第2类仅有黄色系。其中，类群1中的红色系L*与C*相关性明显，呈显著的正相关(r2=0.72)，线性方程为：y=0.52x+16.97。这说明色值之间是相互联系、相互影响，体现了颜色之间的协调性。

3 结论与讨论

CIELab颜色系统的运用，促进了植物色彩研究的标准化，使得颜色表型的数量分析得以实现，避免了肉眼区分颜色所带来的弊端。近些年，植物花色和果色数量分析已经越来越普及[14-18]，为品种分类和分子育种提供了科学的参考依据。本研究首次就南方红豆杉假种皮的颜色进行深入系统研究，研究发现：1)南方红豆杉假种皮颜色较为丰富，主要为红色和黄色，传统聚类分析难以准确划分；2)ISCC-NBS色名表示法将南方红豆杉划分为黄色系、橙色系、橙黄色系、红色系4个色系，其中红色系还存在着强红色、强粉色、中红色等不同程度地分化；3)假种皮颜色的明度与彩度成正相关，基于明度和彩度可划分为2类：第1类包括红色系、橙色系和橙黄色系；第2类为黄色系。

野生植物的果实特征大多程度上是与食果动物协同进化的结果。颜色是果实的一个重要形态特征，影响食果动物特别是食果鸟类的选择。目前，多数南方红豆杉尚处于野生状态，其假种皮成熟在冬季，味美甘甜，是鸟类和某些哺乳动物过冬的重要食物资源[20]。前人研究表明，黑冠黄鹎(Pycnonotusmelanicterus)和栗背短脚鹎(Hemixoscastanonotus)等绝大多数鸟类偏好于红色果实，黄颊山雀(Parusspilonotus)、灰头椋鸟(Sturnusmalabaricus)、黑短脚鹎(Hypsipetesleucocephalus)等部分偏于橙色果实，而黑领椋鸟(Sturnusnigricollis)和灰头椋鸟(Sturnusmalabaricus)等少数偏食黑色果实[21-22]。据此推测，南方红豆杉假种皮颜色出现如此丰富的变异，可能与不同鸟类觅食选择有关。

果实颜色形成机制复杂，涉及类胡萝卜素、叶绿素、花青素等诸多色素物质。有研究表明，黄色果实是由于叶绿素的大量降解，类胡萝卜素比例提高所致的，而花青素增加，植物会显现橙黄色，并随之呈现出不同程度的红色[23]。秦亚龙等[10]首次对南方红豆杉黄色和橙色假种皮进行了研究，发现类胡萝卜素和黄酮类物质是其呈色的主要物质，且黄色假种皮中类胡萝卜素含量高于红色假种皮。Cao等[24]对南方红豆杉黄色和红色假种皮进行了转录组分析，比较两者在分子水平上的差异，发现类黄酮途径上差异基因富集显著，推测假种皮颜色发生变异的原因可能与类胡萝卜素和黄酮类物质的积累模式有关。但是两者就假种皮具体呈色物质以及呈色机制尚不清楚，因此在代谢水平和转录水平上进一步揭示其变异机制，找出类黄酮与类胡萝卜素途径中与假种皮颜色形成的相关调控基因和代谢产物，对南方红豆杉的分子育种工作有着重要的意义。

值得注意的是的，南方红豆杉是优良的园林绿化树种，其假种皮颜色是南方红豆杉最重要的观赏性之一，不同颜色的假种皮可以营造不同感官景象。但在园林绿化中，常绿观果乔木的开发远不如观花树种，且颜色单调，绝大多数果实都呈红色。因此，黄色系、橙色系等南方红豆杉变异品系的发现，对丰富园林观果植物的种类和南方红豆杉观赏价值的提高有着重要的意义。

作者贡献：吴少东是本研究试验设计和试验研究的执行人，负责数据采集、分析和论文撰写；肖海静参与试验数据的采集和处理；张文根负责论文试验设计、实施和论文撰写；于宏和朱恒参与项目试验设计和部分数据采集；裘利洪是项目的构思者及负责人，负责论文撰写。

致谢：感谢杨光耀教授在论文写作过程中给予的指导和建设性意见；感谢江西省竹子重点实验室给予的实验平台；感谢李永龙、董琛、柳皎林、李雪梅在采样过程中给予的帮助；感谢江西省重点研发计划一般项目(20202BBFL63019)和江西省林业科技创新专项资金项目([2019]24号)共同资助。